הכנת חיישן תנועה באמצעות חומר AgNWs וניתוח ביצועים בפעילויות ספורט

פלסטרים חכמים לתנועה יומיומית

דמיינו מדבקה גמישה על העור שעוקבת בשקט כיצד השרירים שלכם פועלים וכיצד המפרקים זזים בזמן אימון, שיקום מפציעה או ריצה פשוטה. המחקר הזה מציג חיישן תנועה כזה, שנבנה כדי לעבוד כמו עור שני במהלך פעילות אמיתית. על‑ידי מחשבה מחודשת על החומרים ואופן השילוב שלהם, החוקרים יצרו "חבישה אלקטרונית" אלסטית ועמידה שמסוגלת לקרוא פעילות שרירית עם אותות יציבים ובאיכות גבוהה בזמן ספורט.

מדוע חיישני תנועה טובים יותר חשובים

ככל שהאימון וניטור הבריאות מבוססים יותר על נתונים, מאמנים ורופאים דורשים מידע מדויק על התנועה של גופנו בזמן אמת. חיישנים גמישים רבים מתקשים בעיבוד פעילות בעולם האמיתי: האותות שלהם נוטים לסטייה, הם מגיבים באיטיות לתנועות מהירות ומידע שימושי נסתר לעיתים ברעש חשמלי. מאמר זה מתמקד בחולשות האלה. המחברים התמקדו בחומר בשם פולידימתילסילוקסן (PDMS), סיליקון רך וגמיש המשמש לעיתים במכשור רפואי, ושילבו אותו עם ננו‑חוטי כסף דקיקים שפועלים כמעברים חשמליים מיקרוסקופיים. המטרה הייתה חיישן שמתיחתלב עם הגוף ועדיין שומר על קריאות חדות ואמינות, במיוחד בתנועות ספורט דינמיות.

בניית רשת חשמלית אלסטית

במרכז העיצוב נמצאת רשת תלת‑ממדית של ננו‑חוטי כסף הכלואים בתוך PDMS הגמיש. הפצת הננו־חוטים באופן אחיד והצמדתם בחומר הרך אינה קלה; אם הם יתאספו או יחליקו, האות החשמלי יהפוך לבלתי יציב. הקבוצה פתרה זאת בכך שהעמיסו תחילה את הננו‑חוטים על שמן דימתיל‑סיליקון והשתמשו באולטרסוניקה לשבירת גושים. התרחיף המוקדם הזה נמהל לאחר מכן לתוך PDMS לא מוקשה, נשפך לתבנית ומיובש ומחומם בעדינות כך שהסיליקון יקשר ויהפוך למוצק אלסטי. בתהליך זה נוצר בתוך ה‑PDMS המוצרים רשת חיבורים מ‑AgNWs שיוצרת נקודות חפיפה רבות דרכן יכול הזרם לזרום. כאשר הפּס נמתח, הרשת מתעוותת ומשתנה קלות ההולכה, מה שמאפשר למכשיר לחוש עיוותים (strain).

ממתכון מעבדה למכשיר נלבש

כדי להפוך את הפס הרגיש הזה לחיישן תנועה מעשי, המחברים שילבו כמה שלבי ייצור. הם השתמשו בציפוי סיבובי (spin coating) ליצירת סרט מוליך דק ואחיד ובהדפסה מסכתית (screen printing) להוספת אלקטרודות מבוססות כסף בתבניות שתוכננו באמצעות תוכנת CAD. אותם כלים עיצוביים שימשו גם לעיצוב רוחב העברות העגולים של המעגלים כך שיחבקו את העור בנוחות ויקלטו אותות נקיים. המכשירים המושלמים נבדקו במכונת מתיחה שחזרה אותם שוב ושוב בעוד מכשירים מדדו שינויים בהתנגדות. החיישנים הוצמדו גם על העור מעל קבוצות שרירים מרכזיות, ומערכת הקלטה ביו‑חשמלית מקצועית הקליטה פעילות חשמלית של השריר במנוחה ובתרגיל. לאחר מכן יושמו שיטות עיבוד אותות כדי להפריד את אותות השריר המשמעותיים מרעש הרקע ולחשב את יחס אות‑לרעש.

מבחני ספורט לחיישן

החיישן החדש המבוסס PDMS הושווה לגרסאות שעוצבו על שני תת‑חומרים גמישים נפוצים אחרים: סיבי ננו‑תאית (CNF) ופוליאתילן טרפתלט (PET). לאורך 3,000 מחזורי מתיחה, חיישני ה‑PDMS הפגינו תנודת התנגדות של פחות מ‑5 אחוזים, הרבה פחות לעומת CNF ו‑PET שהראו סטיות גדולות יותר וסימני עייפות. במבחני מתיחה עד 60 אחוז סטיין, חיישני ה‑PDMS הגיבו בערך פי שניים מהר יותר מאלו מבוססי CNF וברור מהר יותר מהתקנים מבוססי PET. כאשר החוקרים חיקו תדרי תנועה אנושית טיפוסיים בין 0.5 ל‑2 הרץ, חיישני ה‑PDMS נשארו יציבים וייצרו אותות חזקים בטווח 0.5–1.5 הרץ, שמתאים לרוב תנועות הגפיים הטבעיות. במהלך תרגילי כדורסל עם מתנדבים שלבשו את החיישנים על הזרועות והרגליים, המכשירים הפיקו בעקביות אותות שריר עם יחס אות‑לרעש ממוצע של כ‑25 דציבלים, כלומר המידע השימושי היה דומיננטי בהרבה על פני רעשי הרקע החשמליים.

מה זה אומר לאימון ולבריאות

במילים פשוטות, המחקר מראה כי סידור מדוקדק של חוטים זעירים של כסף בתוך רצועת סיליקון רכה יכול ליצור חיישן תנועה שנמתח עם הגוף ועדיין שומר על קריאות יציבות באופן מרשים. בהשוואה למכשירים דומים שעל חומרים נוקשים או שבירים יותר, החיישן המבוסס PDMS מציע עמידות טובה יותר, תגובה מהירה יותר ואותות נקיים יותר במהלך פעילות ספורט ריאלית. למרות שנשארות שאלות לגבי נוחות לטווח הארוך, השפעות טמפרטורה ושימוש בתנועות קיצוניות יותר, עבודה זו מצביעה על פלסטרים נלבשים עתידיים שיכולים לעקוב אחר מאמץ שרירי ותנועת מפרקים ברמת מעבדה על המגרש, במרפאה או אפילו בבית.

ציטוט: 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

מילות מפתח: חיישן תנועה נלבש, ננו‑חוטי כסף, אלקטרוניקה גמישה, ניטור ביצועי ספורט, אלקטרומיוגרפיה