Подготовка датчика движения на основе AgNWs и анализ его работы в спортивной деятельности

Умные пластыри для повседневного движения

Представьте себе гибкую наклейку на коже, которая незаметно отслеживает, как активируются ваши мышцы и как двигаются суставы во время тренировки, восстановления после травмы или простой пробежки. В этом исследовании представлен такой датчик движения, спроектированный для работы как вторая кожа при реальной физической активности. Переосмыслив как материалы, так и методы их комбинирования, исследователи создали тянущийся, прочный «электронный пластырь», способный фиксировать мышечную активность с устойчивыми, высококачественными сигналами в спортивных условиях.

Почему важны лучшие датчики движения

По мере того как тренировки и мониторинг здоровья становятся более ориентированными на данные, тренеры и врачи хотят получать точную информацию о движениях тела в реальном времени. Многие существующие гибкие датчики испытывают трудности в условиях реальной активности: их сигналы дрейфуют, они слишком медленно реагируют на быстрые движения, а полезная информация теряется на фоне электрического шума. Эта статья нацелена на устранение таких слабых мест. Авторы сосредоточились на материале полидиметилсилоксане (PDMS) — мягком, эластичном силиконе, часто используемом в медицинских устройствах, — и сочетали его с ультратонкими серебряными нанопроволоками, выполняющими роль микроэлектропроводящих путей. Цель состояла в создании датчика, который растягивается вместе с телом, сохраняя при этом четкость и надежность показаний, особенно при динамичных спортивных движениях.

Создание растягивающейся электрической сети

В основе конструкции лежит трехмерная сеть серебряных нанопроволок, зафиксированная внутри гибкого PDMS. Добиться равномерного распределения нанопроволок и их прочного сцепления с мягким материалом непросто: при слипании или смещении проводников электрический сигнал становится нестабильным. Команда решила эту проблему, сначала смешав нанопроволоки с диметилсиликоновым маслом и применив ультразвук для разрушения сгустков. Полученную предварительную суспензию затем вводили в незатвердевающий PDMS, заливали в форму и аккуратно сушили и нагревали, чтобы силикон сшился в эластичный твердый материал. В ходе этого процесса серебряные нанопроволоки образуют взаимосвязанную сеть внутри отвердевающего PDMS, создавая многочисленные перекрывающиеся контакты, по которым может протекать электрический ток. При растяжении эта сеть деформируется, меняя проводимость, что позволяет устройству регистрировать деформацию.

От лабораторного рецепта к носимому устройству

Чтобы превратить чувствительную полоску в практичный датчик движения, авторы объединили несколько производственных шагов. Они использовали центрифугирование (spin coating) для получения тонкой, однородной проводящей пленки и трафаретную печать для нанесения серебряных электродов в узорах, разработанных с помощью САПР. Т те же инструменты проектирования применялись для формирования ширины и кривизны цепей датчика, чтобы они прилегали к коже комфортно и обеспечивали чистый сигнал. Готовые устройства испытывали на тензорном стенде, многократно растягивая их при одновременном измерении изменений сопротивления. Датчики также прикрепляли к коже над ключевыми мышцами, а профессиональная система биоэлектрической записи фиксировала электрическую активность мышц в покое и при нагрузке. Затем применялись методы обработки сигналов для отделения значимой мышечной информации от фонового шума и вычисления отношения сигнал/шум.

Испытания датчика в спортивных условиях

Новый датчик на основе PDMS сравнивали с версиями, изготовленными на двух других распространенных гибких подложках: целлюлозных нанофибрах (CNF) и полиэтилентерефталате (PET). В ходе 3000 циклов растяжения датчики PDMS показали колебание сопротивления менее 5 процентов, что значительно меньше, чем у CNF и PET, которые демонстрировали больший дрейф и признаки усталости. В испытаниях растяжения до 60 процентов деформации датчики на PDMS реагировали примерно вдвое быстрее, чем устройства на основе CNF, и заметно быстрее, чем на PET. При имитации типичных частот человеческих движений между 0,5 и 2 герцами датчики PDMS оставались стабильными и выдавали сильные сигналы в диапазоне 0,5–1,5 Гц, соответствующем большинству естественных движений конечностей. Во время баскетбольных упражнений с добровольцами, носившими датчики на руках и ногах, устройства последовательно регистрировали мышечные сигналы со средним отношением сигнал/шум около 25 децибел, что означает, что полезная информация значительно превосходила фоновые электрические помехи.

Что это значит для тренировок и здравоохранения

Проще говоря, исследование показывает, что тщательное расположение крошечных серебряных проволок внутри мягкой силиконовой ленты может создать датчик движения, который растягивается вместе с телом и при этом сохраняет удивительно стабильные показания. По сравнению с аналогичными устройствами на более жестких или хрупких материалах датчик на основе PDMS предлагает лучшую долговечность, более быструю реакцию и чище сигналы в реальных спортивных условиях. Хотя остаются вопросы о долгосрочном удобстве, влиянии температуры и применимости при более экстремальных движениях, эта работа указывает путь к будущим носимым пластырям, которые смогут отслеживать мышечную нагрузку и движение суставов с лабораторной точностью на поле, в клинике или дома.

Цитирование: 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

Ключевые слова: носимый датчик движения, серебряные нанопроволоки, гибкая электроника, мониторинг спортивной работоспособности, электромиография