Inteligentné vložky sú prínosom pre športovcov aj rehabilitačných pacientov

Hoci to tak znie, pozemné reakčné sily nemajú nič spoločné s armádou. Keď kráčate, beháte alebo skáčete, vaša noha tlačí na zem a zem sa tlačí späť rovnakou silou v opačnom smere. Toto sú pozemné reakčné sily. Sú dôležité, pretože ovplyvňujú, ako sa naše telo pohybuje a reaguje počas fyzickej aktivity.

Vedci z Univerzity v Portsmouthe vo Veľkej Británii sa spojili s technologickou spoločnosťou TG0, aby vyvinuli inteligentné vložky, ktoré presnejšie a prirodzenejšie merajú pozemné reakčné sily v troch rozmeroch. Tieto vložky poskytujú analýzu pohybu v reálnom svete, ktorá je užitočná pre športovú vedu, rehabilitáciu a prevenciu zranení.

„Chceli sme vytvoriť cenovo dostupnú a prenosnú alternatívu k drahému laboratórnemu zariadeniu,“ povedal hlavný autor štúdie Dinghuang Zhang, PhD, spolupracovník v programe prenosu znalostí na TG0. „Tieto vložky by mohli pomôcť športovcom zlepšiť výkon, pomôcť lekárom pri rehabilitácii a dokonca pomôcť ľuďom sledovať ich pohyb pre celkové zdravie.“

Trojrozmernosť inovatívnych vložiek pochádza z ich schopnosti merať tri zložky pozemných reakčných síl: mediálne-laterálne (Fx), predo-zadné (Fy) a vertikálne (Fz). Zjednodušene povedané, mediálne-laterálne označuje silu zo strany na stranu. Meria tlak alebo ťah, ku ktorému dochádza, keď urobíte krok na jednu alebo druhú stranu, ako keď urobíte rýchly bočný pohyb v basketbale. Predo-zadná je sila dopredu a dozadu, ktorá meria zrýchlenie alebo brzdenie, ku ktorému dochádza pri behu. Vertikálna sila je sila nahor a nadol pociťovaná zo zeme, ktorá tlačí na vašu nohu, keď pristane. Zvyčajne je to najsilnejšia z troch zložiek a možno ju považovať za silu, ktorá podporuje váhu vášho tela. Všetky tri sú nevyhnutné pre pochopenie zdravej chôdze a toho, ako ju ovplyvňuje zranenie, svalová únava, držanie tela a rovnováha a vplyv neuromuskulárnych stavov.

Súčasným zlatým štandardom na meranie 3D pozemných reakčných síl sú silové platne a prístrojové bežecké pásy. Silové platne však môžu zachytiť pozemné reakčné sily iba v jednom kroku a sú obmedzené na stacionárne nastavenie. A zatiaľ čo prístrojové bežecké pásy dokážu nepretržite zachytávať údaje, majú tendenciu narúšať prirodzenú chôdzu človeka. Preto je túžba vedcov vytvoriť niečo prenosnejšie a dostupnejšie.

Dosiahnutie ich vízie si vyžadovalo spoluprácu medzi Fakultou výpočtovej techniky na Univerzite v Portsmouthe a jej Fakultou psychológie, športu a zdravia.

„Toto partnerstvo skutočne zdôraznilo výhodu spolupráce pri spájaní rôznych súborov zručností,“ povedal Dr. Tim Exell, docent v biomechanike a rehabilitácii na univerzite a spoluautor štúdie. „Všetok ľudský pohyb, či už vo vrcholovom športe, rekreačných aktivitách alebo rehabilitácii, je spôsobený silami a schopnosť presne zmerať tieto sily mimo laboratórneho prostredia znamená zmenu hry na zlepšenie športového výkonu, identifikáciu rizík zranení a zlepšenie zotavenia po zranení alebo iných podmienkach.“

Ich inteligentná vložka TG0 pritom integruje vstavané tlakové senzory a inerciálnu meraciu jednotku (IMJ) na sledovanie tlaku a pohybu chodidla. IMJ je zariadenie, ktoré obsahuje rad senzorov, ktoré merajú pohyb tak, že zisťujú, ako rýchlo sa chodidlo pohybuje v rôznych smeroch (akcelerometer), ako sa otáča (gyroskop) a smer, ktorým chodidlo smeruje (magnetometer). Strojové učenie využíva všetky merania vykonané tlakovými snímačmi a IMJ na predpovedanie pozemných reakčných síl.

Vedci testovali inteligentnú vložku TG0 na skupine piatich zdravých dospelých ľudí s rôznou telesnou hmotnosťou a výškou. Účastníci najskôr absolvovali zahrievaciu reláciu, ktorá zahŕňala chôdzu a skákanie, aby sa minimalizovala variabilita údajov spôsobená stuhnutím svalov alebo neznalosťou vybavenia. Potom boli vybavení vložkou a boli požiadaní, aby vykonali sériu pohybov na silovej platni: hlboký drep, krok na mieste, beh na mieste, kývanie doľava a doprava, skákanie na mieste a skákanie dozadu a dopredu.

Po porovnaní údajov o pozemných reakčných silách z vložky a silovej platne, ktorá bola použitá ako referenčná, výskumníci zistili, že vložka spoľahlivo predpovedala pozemné reakčné sily s chybovosťou 4,16 %. Aj keď je chybovosť nízka, je dôležité zvážiť kontext, v ktorom sa tieto vložky budú používať, pretože prijateľná chybovosť sa môže líšiť v závislosti od aplikácie. Napríklad rehabilitácia a zdravotná starostlivosť verzus športový výkon. Výskumníci však poznamenali, že štúdie iných metód merania pozemných reakčných síl, ako sú pohybové senzory alebo tlakové vložky, hlásili chyby medzi 8 % a 20 %.

Inteligentné vložky TG0 komunikujú cez Bluetooth low-energy (BLE) s USB kľúčom na báze PC. Sú vybavené integrovanou batériou, ktorá nepretržite zbiera dáta približne osem hodín.

Výskumníci predpokladajú, že ich inteligentné vložky sa budú používať v niekoľkých aplikáciách. Mohli by pomôcť športovcom sledovať ich pohyb, optimalizovať tréning a znížiť riziko zranenia. Lekári a fyzioterapeuti by ich mohli použiť na monitorovanie pacientov s problémami s pohyblivosťou alebo tých, ktorí sa zotavujú zo zranení. Mohli by tiež zbierať údaje na podporu výskumu športovej vedy a biomechaniky.

Hlavným impulzom pre vývoj inteligentných vložiek však bola potreba zlepšiť starostlivosť o diabetickú nohu. Diabetici sú vystavení riziku vzniku periférnej neuropatie, čo znamená, že je znížená citlivosť nôh a vystavuje sa riziku vzniku vredov na nohách, ktoré sa môžu infikovať a v najhoršom prípade si vyžadujú amputáciu. Inteligentná vložka snímajúca tlak by toto riziko znížila.

„Poslaním TG0 je použiť vstavanú umelú inteligenciu a nízkonákladový materiál na revolúciu v rozhraniach človek-stroj, sprístupniť ich, udržateľnosť a inteligentnosť,“ povedal Dr. Liucheng Guo, spoluzakladateľ spoločnosti a CTO a zodpovedajúci autor štúdie. „Kombináciou akademického výskumu s odbornosťou v odbore sme vylepšili našu lacnú technológiu inteligentného snímania, ktorá by mohla zmeniť spôsob, akým komunikujeme so svetom - v športe aj v zdravotníctve. Štúdia nielenže dokazuje náš záväzok k inováciám, ale tiež pripravuje cestu pre inteligentné snímacie riešenia novej generácie, ktoré siahajú za hranice športu do širších zdravotníckych aplikácií.“

Štúdia bola nedávno publikovaná v magazíne Intelligent Sports and Health. Zodpovedajúci autor, Liucheng Guo, je pridruženým redaktorom magazínu, ale nepodieľal sa na redakčnej kontrole ani na rozhodnutí publikovať túto štúdiu.