充電不要のウェアラブル 3D プリントフィットネストラッカー

この投稿は warrior bear によって 2021-10-12 22:26 に最後に編集されました。

2021年10月12日、Antarctic Bearは、アリゾナ大学工学部の研究者が3Dプリント技術を使用して、手動で充電することなく継続的に動作できるスマートな健康モニタリングデバイスを作成したことを知りました。
開発者らが「バイオシンビオティックデバイス」と呼ぶこの追跡装置は、電源ユニットを通じて電力を集め、内蔵アンテナをワイヤレスで充電する。次に、このデバイスはこの電気を使用して、運動中に生成された装着者の生体信号とエネルギーを捕捉し、これまでにない効果を発揮できるインタラクティブなプロセスを実現します。
研究チームは3Dプリント技術を使用して、パッチタイプのフィットネスモニターもカスタマイズしました。運動中もモニターはユーザーに接続されたままで、センサーが装着者の生体信号を高精度に監視し、各筋肉の変形を識別してユーザーの運動強度を計算します。
「現在、このようなものは存在しません」と、同大学の助教授で論文の著者でもあるフィリップ・グトラフ氏は語る。「私たちは、デバイスを人に合わせて直接カスタマイズするというまったく新しい概念を導入しています。特殊なワイヤレス電源により、デバイスは充電の必要もなく24時間365日稼働できます。」
△エンジニアが 3D プリントしたセンサーは上腕二頭筋に取り付けられています。このデバイスは、人体のさまざまな筋肉をモニターするようにカスタマイズできます。写真はScience Advances誌より。
長持ちするフィットネストラッカー<br /> ウェアラブル電子機器は、ジムに通う人にとって便利な運動ツールであるだけでなく、継続的に着用することで、心臓不整脈などの致命的な病気の兆候を早期に特定するのに十分なデータを収集することもできます。さらに、人工知能の進歩により、大量の生物学的データを迅速に処理できるようになり、潜在的な傾向や診断をこれまでよりも迅速に発見したり、診断を行ったりできるようになりました。
しかし、最近の分析の進歩にもかかわらず、アリゾナのチームは、既存のフィットネス機器は追いつくのに苦労していると述べている。彼らは、現在のデバイスには感知能力が欠けており、途切れることのないデータストリームを提供できないことが原因だと非難している。
これらの欠点を克服するために、研究者らは、無線電力伝送の一種である「遠距離場」エネルギー利用を利用して無線周波数（RF）信号を電源に変換し、正確かつ継続的にデータを取得できるウェアラブルデバイスを開発した。着用者はその存在をほとんど感じないだろうと研究者らは述べている。
△研究者らの「遠距離場」センサー装置。写真はScience Advances誌より。
生物共生デバイスの設計<br /> 研究チームのフィットネストラッカーの核となるのは、接着剤を必要とせずに着用者の体のさまざまな部分に貼り付けて動作するようにカスタマイズできる、FDM 3D プリントされた「メッシュ」です。デバイスにセンシング機能を持たせるために、チームは柔軟なノードに小さなセンシング電子機器を埋め込み、伸縮性のある曲がりくねった相互接続を介してそれらを接続しました。
理論的には、これらのデバイスはアンテナを介して電力投射システムと通信し、デバイスのアクティブな収集電子機器に電力を供給し、センサーをアクティブにするエネルギー貯蔵バッテリーを充電します。トレーニング中に収集されたデータは、トラッカーに統合された Bluetooth Low Energy (BLE) システムオンチップを介してコンピューターに転送され、フィットネスの改善の可能性について分析されます。
このデバイスの電力投射システムは数メートル離れた場所に設置できるため、多くの既存の「遠距離」システムでは対応できない、家庭での使用に最適な可能性を秘めています。さらに、ウェアラブルデバイスは肩や上腕二頭筋など特定の手足や関節のデータを収集するようにカスタマイズできるため、ほとんどの標準的なトラッカーよりもはるかに正確です。
「運動中に上腕二頭筋がどのように変形するかを測定したい場合、デバイスにセンサーを配置して測定することができます」と、論文の主執筆者であるタッカー・スチュアート氏は説明する。「身体に装着するデバイスを設計したため、従来の手首に装着するウェアラブルでは収集できないデータを収集することができます。」
△アリゾナチームのFDM 3Dプリントプロセスが稼働中です。画像はScience Advances誌より。
フィットネスデータのリアルタイムモニタリング<br /> 研究者たちは、バイオ共生設計を実践するために、まずNinjatekの弾性素材でテストモデルを3Dプリントし、その後、手作業で電子機器を所定の位置に挿入しました。チームは、Xbox Kinect カメラを使用して、アスリート固有の 3D モデルを作成し、それを「生理学的ランドマーク」に分割することで、プロトタイプを被験者の筋肉にぴったりとフィットさせることができることを発見しました。
テストの目的で、エンジニアたちはモデルの上腕部とふくらはぎの部分に装置を組み込むことを選択しました。そして、ボランティアの被験者に装置を取り付け、走ったり、ジャンプしたり、漕いだり、腕立て伏せをしたりしてもらいました。
アリゾナのチームは、これらのテストで、同デバイスが、高忠実度データストリームを生成しながら、複数のユニットを同時に展開することで、安定した生物学的インターフェースを実証したと述べている。彼らは、温度変化や筋肉の変形などの側面を含むさまざまな領域を同時に監視することができ、その性能は現在のゴールドスタンダードデバイスの性能を上回っています。
全体として、彼らの機器は一度に 48 時間しかテストされなかったものの、エンジニアたちは、このテストで彼らのアプローチの実現可能性を実証するのに十分だったと考えています。将来的には、マイクロ流体設計をトラッカーに組み込むことで、患者のバイタルサインを監視し、医師に強化された診断データを提供する手段として重要な臨床応用が可能になるとエンジニアらは述べている。
△チームスポーツテストプログラムによって提供された結果の一部を示すグラフ。画像はScience Advances誌より。
FDM印刷の適合性を検知
FDM 3D プリンティングのアクセシビリティと柔軟性の向上により、この技術は低コストの実験用センサーを作成するための手段として広く採用されるようになりました。アリゾナチームの装置と同様に、全北の研究者たちは、動作に外部電源を必要とせず、人間の動きによって駆動する圧電センサーを3Dプリントした。
一方、成均館大学のチームは、個人モニタリングアプリケーションに対応するために特別に設計された独自のウェアラブルバイオセンサーを3Dプリントしました。研究者らの装置は、柔軟なシリコンエラストマーと糖質ベースの足場から作られており、ユーザーの変化する体の緊張信号を捉える診断ツールとして使用できる可能性がある。
一方、アテネ国立カポディストリアン大学の科学者らは、糖尿病患者の血糖値を追跡できる「電子リング」型血糖値モニタリングシステムを開発した。従来の FlashforgeCreator Pro 3D プリンターと導電性フィラメントを使用して製造されたこのデバイスは、通常の血糖値測定器に代わる、より侵襲性の低い自己検査装置として機能する可能性があります。
この研究の詳細は、「高忠実度の生体信号を無期限に収集するための、生体共生的でパーソナライズされ、デジタルで製造されたワイヤレスデバイス」と題された論文に記載されています。

関連論文リンク: https://www.science.org/doi/10.1 ... cr_pub%20%200pubmed
この研究の共著者は、タッカー・スチュアート、ケビン・アルバート・カスパー、イフェチュクウデ・クリスチャン・イウェルンモア、ディラン・トーマス・マクガイア、ロベルト・ペラルタ、ジェシカ・ハンナ、ミーガン・ジョンソン、マックス・ファーリー、トーマス・ラマンティア、ポール・ウドルヴィッチ、フィリップ・グトラフです。

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