Op huid gebaseerde sensor laat zien hoe het lichaam beweegt

Wetenschappers van de RUG hebben draagbare en gevoelige sensoren gemaakt van een flexibel polymeer en bundels koolstofvezels, die in kleding zijn te verwerken. Net als onze huid reageren de sensoren op druk en kunnen ze de lichaamshouding meten. Daardoor zijn ze te gebruiken om bijvoorbeeld de gevolgen van de ziekten van Parkinson te monitoren, of de beweging van gewrichten te meten bij sporters. Een beschrijving van deze toepassingen is gepresenteerd in het Nature Partner Journal (njp) Flexible Electronics op 14 oktober.

Met sensoren kunnen we onze gezondheid in de gaten houden. Maar dan moeten het wel flexibele sensoren zijn die geen ongemak opleveren. Draagbare sensoren, bijvoorbeeld verwerkt in kleding, zouden dan ook nuttig zijn. Ajay Kottapalli, adjunct hoogleraar aan het Engineering and Technology Instituten Groningen (ENTEG) van de RUG, heeft samen met promovendus Debarun Sengupta al verschillende typen sensoren ontwikkeld, vaak gebaseerd op voorbeelden uit de natuur. Hij heeft nu sensoren gebouwd die de sensorische gevoeligheid van de huid nabootsen.

Toepassingen

Kottapalli gebruikt voor deze sensoren koolstofvezels, gemaakt via elektrospinning. De elektrische geleiding van deze vezels verandert wanneer ze worden uitgerekt. Hij maakt er sensoren van door ze in te bedden in een flexibel polymeer in een patroon van loodrecht op elkaar geplaatste banen, waarbij er ‘pixels’ ontstaan als twee banen elkaar kruisen. ‘Elektrospinning wordt ook gebruikt om textiel te maken, en ons materiaal kan daarin genaaid worden. Dat zou zelfs met geleidend garen kunnen, dat dan als elektrode dienst doet’, vertelt Kottapalli. De sensoren zijn te verwerken in kleding of bijvoorbeeld handschoenen, maar ook als plakkers op gewrichten te plaatsen. Zij meten buigbewegingen, maar zijn ook gevoelig voor druk.

Een gedetailleerde beschrijving van de sensoren is onlangs al gepubliceerd in npj Flexible Electronics . In het nieuwe artikel, dat op 14 oktober in hetzelfde tijdschrift verscheen, gaan Kottapalli en zijn team in op de toepassingen. Zo hebben zij sensoren verwerkt in een handschoen. Daarmee konden ze de vingerbewegingen meten en ook de druk op de vingertoppen bij aanraking van materialen. ‘De handschoen kan ‘voelen’ hoe hard een object is, net zoals een gewone hand.’ Zo’n handschoen is bijvoorbeeld met een handprothese te combineren, waarbij de signalen van de sensoren aan het zenuwstelsel van de prothesedrager kunnen worden gekoppeld. Een bijzondere eigenschap van de sensoren is dat ze aanraking, gebaren en houding kunnen meten. ‘Dit is een unieke combinatie’, vertelt Kottapalli. ‘Onze sensoren werken daarmee net als de huid.’

Wasbeurten

Ook sporters kunnen dit soort sensoren gebruiken. Veel topsporters dragen al shirts met elektroden die spieractiviteit meten. ‘Onze sensoren voegen daar de lichaamsbeweging aan toe, een heel andere benadering. Naast de beweging van gewrichten is het ook mogelijk de ademhalingsbeweging te meten.’ De sensoren moeten daarvoor wel in nauwsluitende kleding zitten, zoals shirts, sokken en handschoenen, of in schoenzolen. Een ander voordeel is dat de sensoren vermoedelijk de nodige wasbeurten kunnen doorstaan, iets wat nog niet in het artikel staat. Kottapalli: ‘Mijn promovendus Debarun Sengupta onderzoekt dat momenteel.’

Loop-assistent

Kottapalli heeft vorig jaar een subsidie gekregen uit de ‘Ideeën Generator’ van de Nationale Wetenschapsagenda, waarmee hij werkt aan biomedische toepassingen die de ontwikkeling van nieuwe functionaliteit voor de sensoren zullen stimuleren. Samen met Amar Karnat (een voormalig postdoc in de groep van Kottapalli, die nu werkt bij het bedrijf CTO Sencilia) en Natanael Gomes (onderzoeksingenieur in zijn groep) vinden nu testen van de sensoren plaats in een revalidatiecentrum voor Parkinsonpatiënten, het Hilberdink Paramedisch Centrum voor Reumatologie en Revalidatie (PCRR) in Groningen. ‘Daar worden ze gebruikt om te meten hoe de loopbeweging in de tijd verslechtert.’ Dat gebeurt met behulp van sensoren in schoenzolen en op de knie of enkel van de patiënt. Het project kan in de nabije toekomst een loop-assistent voor deze patiënten opleveren. Kottapalli: ‘Sommige patiënten gebruiken al een systeem dat via oortjes gesproken instructies geeft over loopsnelheid en staplengte. We weten inmiddels dat patiënten vlak voordat ze vallen kortere stappen nemen. Onze sensoren kunnen ze daarvoor waarschuwen.’

Referentie: Debarun Sengupta, Joshua Romano & Ajay Giri Prakash Kottapalli: Electrospun bundled carbon nanofibers for skin-inspired tactile sensing, proprioception and gesture tracking applications. njp Flexible Electronics, 14 October 2021.