Wearable technology impact: study through the development of a soft-orthotic device

Abstract

Este trabalho procurou criar valor para a industria têxtil através do desenvolvimento de um dispositivo ortopédico com base em materiais têxteis para aplicações em saúde e bem estar. O desenvolvimento deste trabalho inclui a criação de um novo conceito de manga de compressão têxtil, que incorporou músculos artificiais para substituir elementos passivos e novos sensores de deformação para detectar a força produzida pelos músculos artificiais. Os músculos artificiais estudados consistiram nas ligas de memória de forma (SMAs), nomeadamente as ligas de níquel-titânio (NiTi) e os sensores de deformação são baseados em fibras ópticas. No primeiro passo, é apresentada uma revisão sobre materiais ativos que integram tecnologias de músculos artificiais. Uma vez que a intenção é integrar este tipo de material numa estrutura têxtil, também foram explorados alguns exemplos de aplicações têxteis utilizando SMAs, particularmente no campo emergente de têxteis inteligentes e funcionais. Posteriormente, foram realizados testes experimentais com fibras ópticas e fios Flexinol® (tipo comercial de NiTi SMAs). Através destes testes, foi possível tirar conclusões sobre a influência do sensor e a forma da liga, na concepção e desenvolvimento de sistemas de atuadores com maior capacidade de exercer pressão controlada. Após os testes, os sensores e atuadores desenvolvidos foram incorporados num têxtil elástico usando processos de bordadura. A unidade de ativação elétrica e o sistema de controle de atuação foram implementados através de um hardware e firmware específicos numa PCB. Assim, foi concebido um dispositivo de reabilitação leve e adaptável para proporcionar segurança e cuidados de saúde. Este dispositivo foi idealizado com base nas técnicas de tratamento do edema linfático dos membros superiores. O protótipo de manga de compressão ativa pode ser visto como uma alternativa de tratamento complementar às técnicas de reabilitação tradicionais, oferecendo num único sistema um efeito de massagem drenante. Este trabalho foi desenvolvido em cooperação com o Centro de Nanotecnologia e Materiais Inteligentes (CeNTI) e o MIT - Massachusetts Institute of Technology.

This work sought to create value in the textile business industry by developing a textile based soft orthotic device with applications on medical treatments. The developments of this work includ the creation of a new textile based compression sleeve concept, which incorporated technical solutions of artificial muscles in order to replace the passive elements and new strain sensors to sense the pressure made by the artificial muscles. The studied artificial muscles consisted of the Shape Memory Alloys (SMAs), namely nickel-titanium (NiTi) alloys and the strain sensors were based on optical fibers. In the first step, a review about active materials that integrate artificial muscles technologies is presented. Since the intention is to integrate this type of material into a textile structure, some examples of textile applications using SMAs were also explored, particularly in the emerging field of smart and functional textiles. Subsequently, experimental tests with optical fibers and Flexinol® wires (commercial type of NiTi SMAs) were performed. Through these tests, it was possible to draw conclusions about the influence of the sensor and the alloy pattern, in the design and development of actuators systems with greater controlled pressure capacity. After the tests the developed sensors and actuators were embedded into an elastic textile subtract using embroidering processes. The electrical activation unit and the actuation control system were implemented through a specific hardware and firmware in a PCB with the circuit responsible for activating the actuator sections. Thus, a light and adaptable rehabilitation device to provide safety and healthcare was conceived. This active soft orthotic device was idealized based on the techniques for treatment of upper limb lymphatic edema. The active compression sleeve prototype can be seen as a complementary treatment alternative to traditional rehabilitation techniques, offering in a single system a drain massage effect. This work was developed in cooperation with Centre for Nanotechnology and Smart Materials (CeNTI) and MIT- Massachusetts Institute of Technology.