تحضير حساس حركة باستخدام مادة أسلاك الفضة النانوية (AgNWs) وتحليل الأداء في الأنشطة الرياضية

ضمادات ذكية للحركة اليومية

تخيل لصاقة مرنة على بشرتك تتعقب بهدوء كيف تنشط عضلاتك وكيف تتحرك مفاصلك أثناء التدريب أو التأهيل بعد إصابة أو حتى خلال الركض. تقدم هذه الدراسة مثل هذا الحساس الحركي، مصمّمًا للعمل كجلد ثانٍ أثناء التمرين الفعلي. من خلال إعادة التفكير في المواد والطريقة التي تُركّب بها، أنشأ الباحثون "ضمادة إلكترونية" مرنة ومطاطية تقرأ نشاط العضلات بإشارات مستقرة وعالية الجودة أثناء الأنشطة الرياضية.

لماذا تهم حساسات الحركة الأفضل

مع تحوّل التدريب ومتابعة الصحة إلى الاعتماد على البيانات، يرغب المدربون والأطباء في معلومات دقيقة عن كيفية تحرك أجسادنا في الوقت الحقيقي. كثير من الحساسات المرنة الحالية تواجه صعوبات عند اختبارها في أنشطة العالم الحقيقي: إشاراتها تنحرف مع الزمن، تستجيب ببطء للحركات السريعة، وتُطغى المعلومات المفيدة بسهولة على الضوضاء الكهربائية. تستهدف هذه الورقة تلك النقاط الضعيفة. ركز المؤلفون على مادة تُدعى بوليديميثيل سيلوكسين (PDMS)، سيليكون ناعم ومطاطي يُستخدم كثيرًا في الأجهزة الطبية، ودمجوها مع أسلاك فضية نانوية فائقة الرقة تعمل كمسارات كهربائية دقيقة. كان الهدف حسّاسًا يمتد مع الجسم ويُحافظ على قراءاته حادة وموثوقة، لا سيما أثناء الحركات الرياضية الديناميكية.

بناء شبكة كهربائية مطاطية

في صميم التصميم شبكة ثلاثية الأبعاد من أسلاك الفضة النانوية المحبوسة داخل PDMS المرن. جعل توزيع هذه الأسلاك بالتساوي والتثبيت الجيد داخل المادة اللينة مهمة صعبة؛ إذ إن تكتلها أو انزلاقها يؤدي إلى إشارة كهربائية غير مستقرة. حل الفريق ذلك أولاً بخلط الأسلاك النانوية في زيت ديميثيل سيليكون واستخدام الموجات فوق الصوتية لتفتيت التكتلات. ثم تُخلط هذه المعايرة المسبقة مع PDMS غير المتصلب، وتصب في قالب، وتُجفف وتُسخّن بلطف حتى يتشابك السيليكون ليشكّل صلبًا مرنًا. خلال هذه العملية تتشكل شبكة متصلة من أسلاك الفضة داخل PDMS المتصلّب، مكوِّنة نقاط تداخل عديدة يمكن للكهرباء أن تمر عبرها. عند شد الشريط، تتشوه هذه الشبكة وتتغير سهولة مرور التيار، مما يتيح للجهاز استشعار الإجهاد.

من وصفة المختبر إلى جهاز قابل للارتداء

لتحويل هذا الشريط الحساس إلى حساس عملي للحركة، جمع المؤلفون عدة خطوات تصنيع. استخدموا الطلاء الدوراني (spin coating) لخلق طبقة رقيقة موحدة موصلة، والطباعة بالشاشة لإضافة أقطاب قائمة على الفضة بنماذج مصممة باستخدام برامج التصميم بمساعدة الحاسوب. استُخدمت نفس أدوات التصميم لتشكيل عرض وانحناء دوائر الحساس بحيث تحتضن الجلد بشكل مريح وتلتقط إشارات نظيفة. خضعت الأجهزة المكتملة لاختبارات على آلة شد كررت تمديدها بينما تقيس أدوات التغير في المقاومة. كما أُرفقت الحساسات بالجلد فوق عضلات رئيسية، وسجل نظام تسجيل بيوإلكتروني محترف النشاط الكهربائي للعضلات أثناء الراحة والتمارين. طُبقت بعدها طرق معالجة الإشارة لفصل الإشارات العضلية المفيدة عن الضوضاء الخلفية وحساب نسبة الإشارة إلى الضوضاء.

وضع الحساس تحت اختبارات رياضية

قارن الباحثون الحساس الجديد القائم على PDMS بنماذج مصنوعة من ركيزتين مرنتين شائعتين أخريين: ألياف السليلوز النانوية (CNF) وبولي إيثيلين تيريفثاليت (PET). عبر 3000 دورة شد، أظهرت حساسات PDMS تذبذبًا في المقاومة أقل من 5 بالمئة، وهو أقل بكثير من CNF وPET اللتين أبدتا انحرافات أكبر وعلامات إجهاد. في اختبارات الشد حتى 60 بالمئة من الإطالة، استجابت حساسات PDMS بسرعة تقارب الضعف مقارنةً بتلك القائمة على CNF وبسرعة واضحة أكبر من أجهزة PET. عندما حاكى الباحثون ترددات الحركة البشرية النموذجية بين 0.5 و2 هرتز، ظلت حساسات PDMS مستقرة وأنتجت إشارات قوية في نطاق 0.5–1.5 هرتز، وهو ما يتطابق مع معظم حركات الأطراف الطبيعية. خلال تدريبات كرة السلة مع متطوعين يرتدون الحساسات على أذرعهم وأرجلهم، أنتجت الأجهزة باستمرار إشارات عضلية بمعدل إشارة إلى ضوضاء متوسط يقارب 25 ديسيبل، مما يعني أن المعلومات المفيدة تفوق بكثير الضجيج الكهربائي المحيط.

ماذا يعني هذا للتدريب والصحة

ببساطة، تُظهر الدراسة أن ترتيب أسلاك فضية دقيقة داخل شريط سيليكوني ناعم يمكن أن يولّد حساس حركة يمتد مع الجسم ويحافظ على قراءاته بشكل ملحوظ مستقر. مقارنةً بأجهزة مماثلة مصنوعة على مواد أكثر صلابة أو هشاشة، يقدم الحساس القائم على PDMS متانة أفضل، استجابة أسرع، وإشارات أنظف أثناء النشاط الرياضي الواقعي. وبينما تبقى أسئلة حول الراحة طويلة الأمد، تأثيرات الحرارة، والاستخدام في حركات أكثر تطرفًا، تشير هذه العمل إلى مستقبل لرقع قابلة للارتداء قد تتتبّع جهد العضلات وحركة المفاصل بدقة مخبرية على أرض الملعب أو في العيادة أو حتى في المنزل.

الاستشهاد: Wang, H. Preparation of motion sensor using AgNWs material and performance analysis in sports activities. Sci Rep 16, 13045 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42806-3

الكلمات المفتاحية: حساس حركة قابل للارتداء, أسلاك الفضة النانوية, إلكترونيات مرنة, مراقبة أداء رياضي, تخطيط كهربائية العضلات