Rilevare la stanchezza con i pantaloni da corsa intelligenti

I ricercatori hanno sviluppato un filato elettronico che misura i movimenti del corpo con estrema precisione. Il sensore tessile può essere integrato direttamente negli indumenti sportivi o da lavoro e prevede la fatica di chi lo indossa durante lo sforzo fisico.

Le persone esauste hanno maggiori probabilità di infortunarsi, sia durante lo sport che nel lavoro fisico. I ricercatori guidati da Carlo Menon, professore di Tecnologie sanitarie mobili, hanno ora sviluppato un sensore tessile che misura in tempo reale la stanchezza delle persone durante lo sforzo fisico. Hanno testato il nuovo sensore su un paio di pantaloni da corsa. Con uno sguardo allo smartphone, le persone sottoposte al test hanno potuto determinare quando avevano raggiunto il loro limite di sforzo e avrebbero dovuto fare una pausa.

L’invenzione, per la quale il Politecnico di Zurigo ha depositato un brevetto, potrebbe aprire la strada a una nuova generazione di abiti intelligenti: Per molti prodotti disponibili sul mercato, i componenti elettronici come sensori, batterie o chip vengono successivamente fissati all’abbigliamento. Ciò rende la produzione macchinosa, comporta prezzi elevati e rende difficile la manutenzione dei prodotti.

Al contrario, il sensore di deformazione dei ricercatori è integrato direttamente nelle fibre del tessuto di indumenti sportivi o da lavoro elastici e aderenti, il che facilita la produzione industriale e ne abbassa il prezzo. Un altro vantaggio: "Grazie allo stretto contatto con il corpo del sensore, possiamo registrare i movimenti del corpo in modo molto preciso senza che l’utente se ne accorga", spiega Menon.

Un filo straordinario

Quando le persone sono stanche, si muovono in modo diverso. Questo accade anche quando si corre: I passi diventano più corti e meno regolari. I ricercatori hanno misurato questo effetto con il loro nuovo sensore, che consiste in un filo speciale.

Ciò è reso possibile dalla struttura del filo: la fibra interna è costituita da una gomma conduttiva ed elastica. Intorno a questa, i ricercatori hanno avvolto un filo rigido a forma di spirale, ricoperto da un sottile strato di plastica. "Le due fibre agiscono come elettrodi e generano un campo elettrico. Insieme, formano un condensatore in grado di immagazzinare una carica elettrica, che chiamiamo capacità", spiega Tyler Cuthbert, ricercatore post-dottorato nel gruppo di Menon, che ha contribuito in modo determinante allo sviluppo.

Il pantalone da corsa intelligente

Se si cuce questo filo su un paio di pantaloni da corsa elasticizzati all’altezza delle cosce, si allunga e si allenta di nuovo con un certo ritmo durante la corsa. A ogni movimento, la distanza tra le due fibre cambia e con essa il campo elettrico e la capacità del condensatore.

In circostanze normali, queste fluttuazioni di capacità sarebbero molto piccole e non sarebbero sufficienti per poter misurare i movimenti del corpo. Ma le proprietà del filo sono tutt’altro che normali: "A differenza della maggior parte degli altri materiali, si addensa quando lo si tira", spiega Cuthbert. Questo rende il filo molto più sensibile ai più piccoli movimenti. Se si allunga leggermente, si verificano fluttuazioni chiaramente misurabili nella capacità del sensore. In questo modo è possibile misurare e valutare anche i più piccoli cambiamenti nel comportamento di corsa.

Ma come si può dedurre la fatica di una persona da questo dato? In un precedente progetto di ricerca, Cuthbert e Menon hanno osservato una serie di soggetti che correvano indossando pantaloni da corsa con un sensore simile. Hanno registrato come i segnali elettrici del sensore cambiavano con l’aumentare della fatica. Da questo schema, i ricercatori hanno creato un modello che prevede l’affaticamento dei corridori e che può essere utilizzato anche per il nuovo sensore tessile. Tuttavia, affinché il modello possa fare previsioni affidabili al di fuori del laboratorio, ha ancora bisogno di numerosi altri test e di molti dati sul movimento.

Antenna tessile per la trasmissione wireless dei dati

Per trasmettere i segnali elettrici del sensore tessile a uno smartphone senza cavi, i ricercatori lo hanno collegato a un’antenna a bobina fatta di filato conduttivo, anch’essa ricamata direttamente sui pantaloni da corsa. "Il sensore e l’antenna insieme formano un circuito elettrico completamente integrato nell’abbigliamento", spiega Valeria Galli, dottoranda del gruppo di Menon.

Il segnale elettrico del sensore di deformazione fa sì che l’antenna emetta un segnale a una frequenza specifica che può essere letto da uno smartphone. Se il sensore viene spostato durante la corsa, si crea un modello di segnale con una frequenza costantemente fluttuante, che può essere registrato e valutato da un’app in tempo reale. Tuttavia, questo è un sogno del futuro e richiede ancora un certo lavoro di sviluppo.

Applicazioni nello sport e sul posto di lavoro

I ricercatori stanno attualmente lavorando per trasformare il prototipo in un prodotto commercializzabile. A tal fine, stanno facendo domanda per una delle ambite borse di studio per pionieri del Politecnico di Zurigo. "Il nostro obiettivo è produrre indumenti intelligenti in modo più economico, rendendoli così accessibili a un pubblico più vasto", spiega il professore del Politecnico di Zurigo Menon. Menon vede applicazioni non solo nello sport, ma anche sul posto di lavoro, per prevenire gli infortuni dovuti alla fatica o nel campo della medicina riabilitativa.