JP2005524048A - 導電性繊維体を有するフィードバックデバイス - Google Patents

Abstract

力学的入力を検出して、フィードバック指示を生成するフィードバックデバイス。たとえば、肢体にぴったりフィットする導電性繊維体でできたセンサーを有し、身に付けることができる生体力学的フィードバックデバイスである。肢体の動きが繊維体センサーに歪を生じ、それが繊維体センサーの電気インピーダンスを変化させて、フィードバック指示を発生するトリガーになる。

Description

本発明は、運動体上および運動体内における運動および／または力をモニターするための装置に関する。本発明は、特に、運動体が起こす運動および／または力に対する瞬時のフィードバック動作のためのデバイスに適用される。

生体力学の法則に関する研究者らの基本的な注目点は、生物学的構造体上および生物学的構造体内に作用する力、同時に、その力が与える影響の判定である。この分野では、解剖学、心理学、数学、物理学、力学などの関連法則から、多数の原則が導き出されている。それらの原則は、生体組織、成長と発達、負荷と負傷、その他の人体部分の運動に影響する要素への力の生物学的影響をよりよく理解するのに利用されている。それゆえ生体力学は、整形外科手術、リハビリ運動、人間工学、生物医学技術、スポーツ技能のコーチや教授などの多様な範囲の分野に応用可能である。

本発明は、特にここでは、スポーツの訓練器具およびリハビリ運動支援具としての適用例を参照して説明する。けれども、本発明がその他の利用例や適用例にも簡単に適用可能なのは、本技術分野における当業者には明白に理解できよう。たとえば、コンピュータなどの装置を制御する入力信号を作成する手段としての利用も、簡単に実施可能である。また、多様な娯楽装置や遊技器具への適用も可能であろう。

スポーツ分野での生体力学の応用例として、以下の例があげられる。
・スポーツ選手の負傷リスクを最小限にしつつ、スポーツ能力を最適化する技術の特定。
・運動選手の安全性と能力におけるルール変更の影響の評価。
・運動能力の向上と選手の保護の両方を達成するためのスポーツ器具の開発。なおスポーツ器具には、スポーツ用具などの参加するための道具や、スポーツに必要とされる技能を発揮するため選手に適した衣服類も含まれる。

運動中に人体へ作用する力や人体部位の動きをいっそう理解するため、生体力学では多様な定量分析技術を利用している。それら技術には、筋肉運動を測定する筋電装置、選手の人体部位の外部運動や力のプラットホームを測定する光電装置、運動中に発生する力を測定する運動力学装置などで実現できる。それら装置からの情報は、選手の人体部位のサイズを示すデータが加えられて、運動中に発生する力やその力の選手人体上での作用影響を数学的モデル化できる。
本発明の様々の局面で採用した基本原理や背景技術は、本明細書におけるクロスリファレンスとして記載の下記の参照例内に包括的に説明されている。

「導電ポリマーの化学および電気化学特性（スマートマテリアルサイエンティスト誌ハンドブック）」、ＧＧウォレス、ＰＲティスデール、Ｇスピンクス著、テクノミック出版（ランカスター）、１９９７年。 「ドレスウェア／ウェアラブルハードウェア」Ｄデロッシ共著、マテリアルサイエンスエンジニアリング誌、１９９９年、Ｃ７号、３１〜３５。 「導電性テキスタイル」、ＲＶグレゴリー共著、シンサティックメタル誌、１９８９年、２８号、Ｃ８２３〜Ｃ８３５。 「ポリピロール被膜テキスタイルの特性と応用」、Ｈクン著、Ｍアルディス編の「固有導電性ポリマー：新しい技術」に記載、クルワー出版、１９９３年、２５頁。

しかしながら、最新の技術にあっては、人間の運動能力の生体力学的分析のための装置が高性能化されているにも関わらず、いくつかの制限や短所が存在している。たとえば、運動能力分析中の選手本体に取り付けられる従来装置の多くが、堅固な部品で構成されており、選手の人体形状に適しているとはいえない。そのことは、運動中の自然な動作の障害となりえる。また別の従来装置では、過剰に性能動作が制限されている。たとえば、一般的な歪ゲージは、ダイナミックレンジのほぼ１０％の範囲（つまり、歪ゲージの動作測定長の１０％変動）での計測に制限されている。

本発明の目的は、従来技術の少なくとも１つの欠点を解消または改善すること、あるいは、有効な代替装置を提供することである。

本発明の第１の特徴としての構造体のフィードバックデバイスは、そのデバイスへの力学的入力により電気インピーダンスに変動を起こせるよう、ある電気インピーダンスを有する電流通路を生成する導電性繊維体と、前記電流通路を流れる電流を発生する電圧源と、前記電流通路における電気インピーダンスの変動を検知し、そのフィードバックデバイスへの力学的入力と同時にフィードバック指示出力を発生させるセンサーとからなる。

本発明の第２の特徴としての方法は、構造体への力学的入力に応答してフィードバック指示出力を作成する方法であって、前記構造体への力学的入力により電流通路の電気インピーダンスに変動を起こせるよう、前記構造体上に電流通路を備える導電性繊維体を前記構造体に取り付ける工程と、前記電流通路に電圧を印加する工程と、前記電気インピーダンスの変動を検知するセンサーを使って、フィードバック指示出力を発生させる工程とからなる。

好ましくは、前記デバイスが生体力学フィードバックデバイスであって、前記構造体が可動生物学的構造体である。別の好適な形態としては、前記導電性繊維体が、少なくとも一部分が導電性ポリマー材で被膜された柔軟繊維体である。

好ましくは、前記柔軟繊維体が、生物学的構造体およびその動きに密接に適合できるよう形成されている。特に好適な形態としては、前記柔軟繊維体が、商標「ライクラ（lycra）」のもとに市販されている繊維などの合成繊維である。ただし、「ライクラ」とは、ＥＩデュポン・デネムール社の登録商標である。しかしながら、前記柔軟繊維体は、羊毛またはポリエステルなどのその他の適当な柔軟性繊維であっても構わない。さらにまた、前記導電性繊維体が、柔軟性の歪変換特性をもつ金属化繊維、炭素繊維、または、その他の適当な繊維である。

別の実施の形態においては、前記フィードバック指示出力が、利用者が聞き取れるような音声信号であってもよいし、同様に利用者が感知できる振動信号またはその他の物理的刺激信号でも構わない。前記フィードバック指示出力を、センサーの色変化とすることも可能である。それら実施の形態においては、前記センサーが、力学的入力の結果である電流変動により、酸化または還元が可視の色変化を起こすような酸化反応に依存する色をもつ、固有導電性ポリマーで被膜された伝送電極を備える。また好ましくは、前記固有導電性ポリマーが、ポリピロール、ポリチオフェン、または、ポリアニリンである。さらに好ましくは、前記伝送電極を、酸化スズインジウムで形成する。

前記フィードバック指示出力が、味や臭いという形態であっても構わない。

また別の形態として、前記センサーが、変換器／フィードバック指示器を備える。さらにまた別の形態では、前記センサーが、前記フィードバック指示器を遠隔配置するための送信機を備える。一般的には、前記送信機は、マイクロ波周波数域の信号を発信できるよう設定するが、その他の別の周波数を使うことも可能である。それらの形態においては、フィードバック指示器を、遠隔配置のコンピュータモニターまたはアナログ／デジタル表示器にしても構わない。

好ましくは、前記センサーが、導電性ポリマー材により作成される電流通路が回路の可変抵抗部であるホイートストーンブリッジ回路を備える。

別の形態では、前記導電性ポリマー材により作成される電流通路が、柔軟性繊維体上に形成された被膜帯であって、その被膜帯の長さを所定の力学的入力に起因する柔軟性繊維体の伸張の方向と整列させる。また別の好適な形態では、前記導電性ポリマー材が、Ｕ字形状の柔軟性繊維体上に被膜されており、そのＵ字形状の側面を、所定の力学的入力に起因する柔軟性繊維体の伸張の方向に整列させる。これにより、被膜片の各端部の電極が、互いに近接して配置されることになり、デバイス全体を相対的にコンパクトにまとめることができる。

さらにまた別の好適な形態として、前記導電性ポリマー材が、多櫛フォーク形状の柔軟性繊維体上に被膜されており、その各櫛部の長さを所定の力学的入力に起因する柔軟性繊維体の伸張の方向に整列させる。この多櫛形状により、前記櫛部に異なる固有電気抵抗特性、および／または、異なるダイナミックレンジをもたせることができる。それゆえ、前記電極を、それぞれの１対の櫛部の両端に取り付けて、異なる力学的入力応答特性を与えることができるのである。

別の実施形態では、前記フィードバック指示出力が、力学的入力が所定のしきい値より大きい場合に出力される。反対に、力学的入力がしきい値より小さい場合に、指示出力を出力できるようにしても構わない。さらにまた別の好適な形態として、２つまたはそれ以上の数の電流通路を備え、その第１の電流通路からのフィードバック指示出力は、第１のしきい値より大きい力学的入力により作成され、かつ、第２の電流通路からのフィードバック指示出力は、第２のしきい値より大きい力学的入力により作成される。これにより、フィードバックデバイスは、その単数または複数の力学的入力の位置や動きを追跡することができる。

さらにまた別の好ましい形態として、前記第１のしきい値が、前記第２のしきい値と異なる。複数被膜帯センサーにおいては、生物学的構造体の動き度を簡単な直接生体フィードバック出力として供与できる。たとえば、第１被膜帯が２０％伸張のしきい値点にてフィードバック指示出力を出力し、第２被膜帯が４０％伸張にてフィードバック指示出力を出力する例の場合、適切な動き度を演算するのに両出力間の時間を利用することが可能となる。

また、別の形態においては、前記第１と第２の電流通路が、互いに近接している。この形状では、固有の動き度を記録することができるが、第１と第２の電流通路を生物学的構造体のそれぞれ別の場所に配備しても構わない。被膜帯を構造体の異なる部分に装備し、遠隔通信装置を備したフィードバックデバイスは、構造体の動きの複雑かつ正確な分析をすることができる。

別の特に好ましい形態では、前記センサーが、積層体内に２つまたはそれ以上の数の電流通路を備える。この場合、各電流通路が、それぞれ異なるしきい値にてフィードバック指示出力を出力する。ある形態では、前記積層構造体が、複数の異なるポリマー被膜層から成り、それぞれの層が１つの電流通路を形成し、各層は異なる伸張度合にてフィードバック指示出力を作成できる。積層形状の構造体を使うため、センサーの動作性能が向上する。前記積層体内に所定の反発特性をもつ繊維（センサー繊維である必要はない）を備えれば、応答時間や繊維反発性が改善することができる。

別の実施の形態においては、前記電流通路が、その長さ方向において導電性が一定でなく、センサーが電流通路の所定区域でのインピーダンス変動を検知できるため、異なる力学的入力のしきい値にて各区域からフィードバック指示出力が出力される。前記センサー内に可変抵抗値被膜帯を採用しても、フィードバックデバシスの線形ダイナミックレンジを拡大することができる。

本発明のある形態では、前記所定の力学的入力が、電気通路へ印加される押圧力である。さらに好適な形態として、前記電流通路を、２つのポリマー被膜層のあいだに挟まれた繊維層から成る積層体により作成できる。

ある実施の形態では、前記フィードバックデバイスが、下部足肢の動き、特に、膝関節の動き、および／または足首関節の動きをモニターできるよう設定されている。好適な形態として、前記フィードバックデバイスを、フットボール、ネットボール、バスケットボール、スキーなどの膝や足首の負傷が多く発生するスポーツ競技者のための着地訓練プログラム中における、訓練支援手段として利用する。別の実施形態では、前記フィードバックデバイスが、上部足肢の動きをモニターできるよう設定されている。それら実施の形態においては、前記フィードバックデバイスを、クリケット選手のボウリング動作などの運動における競技者の技能の向上、バスケットボールやネットボールのシュート動作技能の向上、テニス選手のサーブ動作技能の向上、ゴルフ選手のスイング動作の向上、あるいは、日常の生活、作業、レクレーションなどの行為における参加者の姿勢の向上のための訓練支援手段としても利用できる。好ましくは、前記繊維体が、スリーブ状に形成されており、前記導電ポリマー被膜がスリーブ上に配置され、使用の際には、競技者の足肢関節の動きが不良の場合にその競技者に警告を与えるため、フィードバック指示出力は音声信号として出力される。当然ながら、前記指示器出力に、適切な足肢関節の動きに応じた指示出力を作成させても構わない。

本発明に従えば、可撓性や柔軟性の大きなポリマーの抵抗値における変化を、その動きが適切かどうかを判断するためのフィードバック出力を出力信号として使う着用可能システムが製造できる。それにより、所定の運動や競技者に合うよう特注化および最適化した、非常に効果的な訓練またはリハビリ動作のプログラムの基礎が提供できるのである。

本発明の好適な実施例を、図面を例示的な目的のみで参照しながら以下で詳細に説明する。

最近に周知となっているのは、導電ポリマー被膜「ライクラ（Lycra）」（商品名）繊維が被膜処理後の繊維特性における最小変動の歪ゲージとして機能することである（本明細書に引用説明として記載の、デロッシ、デラサンタ、マゾルディらの「材料科学技術」誌、Ｃ７、３１号、１９９９年の論文を参照）。本発明の実施の形態の説明では、適切なポリマー化条件または異なるホスト繊維構造の利用により、繊維用歪ゲージのダイナミックレンジを変更できることを提示する。

試験片の作成例
試薬
モノマー：ピロール（アルドリッチ社製）、０．０１５Ｍまたは５００ｍｌのＨ₂０につき１ｍｌ
ドーパント：ＮＤＳＡ（アルドリッチ社製）、（１、５ナフサリンジスルホン酸テトラヒドレート）０．００５Ｍまたは５００ｍｌのＨ₂０につき１．８ｇ
酸化物：ＦｅＣｌ₃（ＢＤＨ社製）、塩化第二鉄０．０４Ｍまたは１リッターのＨ₂０につき２５．９８ｇ

手順
ＮＤＳＡとピロールを、水（５００ｍｌ）に溶解させる。「ライクラ」繊維（４片、各２ｃｍ×２５ｃｍ）をワイヤーラックに取り付けて、モノマー／ドーパント溶液中に浸す（２０分間）。溶液の色は、透明。

分別量（２５０ｍｌ）の溶液をデカント処理して、分別量（２５０ｍｌ）の塩化第二鉄を添加する。その溶液は、黄色である。

塩化第二鉄のせいで、約３分後に溶液中のピロールの酸化が始まる。そして、溶液は緑色に変化する。

酸化が進んで、５〜６分後に溶液が黒色に暗色化し始める。

さらに酸化の継続につれて、ポリピロール粉末が溶液内に沈殿する。溶液から被膜繊維片を取り出すまで、この処理を続ける。

７０分後に、「ライクラ」繊維表面にポリピロールの薄膜が形成され、試験片は白色から黒色へと変化する。

試験片を乾燥させ、ワイヤーラックから取り外し、４５分にわたり水を何回か交換しながら洗浄して、繊維表面の被膜以外のポリピロール残留物を除去する。乾燥した洗浄繊維片は、使用準備が完了である。

図１に示す回路を使えば、異なるポリマー化条件または異なるホスト繊維片の較正曲線を作成することができる。導電ポリマー被膜繊維片１を伸ばした状態で、銅箔片２の間に保持する。そして、繊維片１の両端に引張力Ｆを加えると、引張負荷が増加して、歪が発生する結果として繊維片の長さが伸びる。さらに繊維片１の伸張により、ポリマー被膜層の電気抵抗値が変化する。この力Ｆによる歪に起因する抵抗値の変化を、単純なホイートストーンブリッジ回路３と電圧源Ｖを使って測定する。当技術分野の作業者にとってホイートストーンブリッジ回路の動作の理解は簡単であり、図１に示す２点間の電位差の変化を電位計Ｖｏで測定できる。そして、本実施例の単純な回路構成を使って、前記電位計Ｖｏと抵抗器Ｒ２の周知の抵抗値から、多様な形式の繊維片やポリマー化条件のための歪に対する抵抗値を示す較正曲線を作成できるのである。本発明のフィードバックデバイスは、その曲線から生物学的構造体の特異な動きを電気抵抗値で正確に対応づけることができる。また、ホイートストーンブリッジ回路の替わりに様々な形式の比較回路の使用が可能なのも簡単に理解できよう。

スポーツ運動中の選手の脚部の激しい動作環境をシミュレートできるよう、図２ａに示す構成を使って導電ポリマー被膜繊維片を試験処理した。まず、導電ポリマー被膜繊維片１を、機械式シェーカ６の振動腕部５の一端と固定クランプ４のあいだで保持する。前記と同じホイートストーンブリッジ回路を使い、多様な繊維片やポリマー化条件のための較正曲線を、図２ｂに示すような所定の周波数帯にて作成する。その較正曲線から、たとえば、膝スリーブ形状のフィードバックデバイスの製造が可能である。膝の動きが不良の場合に膝スリーブからフィードバック出力できるよう膝スリーブを形成することにより、訓練中に瞬時のフィードバック出力を選手に与えることができる。たとえば、オーストラリア式フットボール（ＡＲＦ）の選手が正しい着地法を習得すれば、膝の損傷、特に、非接触での前十字靱帯（ＡＣＬ）の損傷の防止が可能となろう。本発明による膝スリーブの形状は単純で安価であって、全体あるいは部分的に導電ポリマー被膜された単数あるいは複数の柔軟繊維片と、所定の動きに対応して音声信号を発信できるよう構成された電気回路とから成る。

人体の膝関節は、特に、着地動作などの激しい動的行為中における関節への大きな力やその膝関節自体の非調和的な構造のせいで非常に損傷しやすい。膝の負傷の割合は、スポーツ起因による負傷全体の１２％ていどではあるが、オーストラリアにおいては膝負傷によるコスト全体のほぼ２５％を占める。年間の膝の負傷による直接的コスト金額は、プロラグビーやラグビー協会では１１９０万ドル、オーストラリア式フットボールでは８８０万ドルにも及んでいる。これらの金額は、過去１０年にわたり継続して上昇している。

前十字靱帯は全膝靱帯のなかで最も損傷頻度が高く、後十字靱帯より９倍も高い頻度で損傷が発生する。前十字靱帯の破断は、ＡＲＦ選手の特に若い選手が受ける最も深刻な損傷のひとつである。生来の前十字靱帯が破断すると、膝関節の「後退」症状が起こり、さらに、半月板の損傷、関節および靱帯自体の機械的受容部位の損傷を経て固有受容体の損傷、再発性膝痛、そして、過度の弛緩や継続不安定化の結果としての膝関節変性となる恐れがある。

スポーツにおける前十字靱帯の損傷のメカニズムは、以下の２つのカテゴリーに分類できる。
ａ）外的な力が膝に加わると前十字靱帯破断を起こして、接触による損傷が発生する。
ｂ）間接的な力が膝に加わると、非接触の損傷が発生する。

一般的に、非接触の前十字靱帯損傷は、急激な減速、高速の方向転換、および／または、着地技能不備での突然の着地などが原因である。前十字靱帯損傷の６６％〜７８％は、非接触の負傷メカニズムに起因すると考えられている。

接触による損傷は偶発によるところが大きいが、非接触の損傷は、筋肉強度や筋肉状態の度合いなどの個人的な資質、それゆえ、負傷時に行われた動きパターンに大きく関係している。着地技能が悪い場合、非接触の前十字靱帯損傷は着地技能を向上させることで防止できると考えられる。その場合、選手が正しい着地法を習得できる方策が必要となる。

実際に、選手が垂直方向のジャンプを行う前に音声フィードバック出力を選手に与えれば、着地する際選手は地面に対する力を軽減できることが判明した。選手がその音声指示を迅速かつ効果的に理解できるため、下方足肢の動作パターンを修正して着地の衝撃時の力の軽減が可能となった。その地面に対する力の軽減に基づいて、選手は負傷リスクを低下させるよう着地技能の変更を習得できることが判った。また、ＡＲＦの膝損傷を軽減する着地プログラムの効果は、ＡＲＦ選手のための着地習得プログラムの実践により確認できた。

さらに、生体力学研究によれば、着地動作における膝の曲げにより、より長い時間にわたり衝撃を「クッション」で和らげ、着地時の衝撃負荷を消散できることも判明している。また、膝の曲げを深くすることにより、選手の重心を下げて、その結果として、安定性が高められる。着地時の膝の損傷を低減させるために、膝の曲げ角度を大きくするとともに、関節動作の範囲つまり幅を大きくすることで、筋肉内でエネルギーを消散させるのである。

膝スリーブは、負傷のリスクを軽減するため、着地動作時に所定の動作範囲全域で選手の膝が曲げられるよう、選手が正しい着地を習得するのに利用できる。膝スリーブは、訓練プログラム中にデバイスを着用したどの選手にも瞬時に個別のフィードバック出力を与えられる長所を備えている。これにより、選手に与えられる着地技能のフィードバック出力の客観性、頻度、速度を向上できる。

図３に、導電ポリマー被膜「ライクラ」製の歪ゲージ１の能動的構成品として、着用可能電子回路を示す。繊維片１が回路の一部となっているため、着地動作中の膝の曲げ角度が不足あるいは過剰である場合に、音声信号７が発信される。音声信号が発信される膝の曲げ角度の範囲は、変更可能である。音声信号７により着用者に対してフィードバック出力が瞬時に伝えられ、着用者は膝の着地技術を調整することができるのである。音声警報器７を含む部品全部が、システム機能させるためのいかなる外的部品を必要とせずに、膝スリーブ内に収容されている。

上記の構成は、安価で非常に軽量であって、普通の柔軟性膝スリーブよりもかなり重くなることはない。したがって、膝スリーブは、着地動作訓練中の通常の動作の障害とはなりえない。膝スリーブは膝のまわりに最小限の堅固さをもつ部品を内蔵した柔軟な繊維で構成されており、接触プレイ動作においても安全である。

前記膝スリーブの一形態例では、繊維のポリマー被膜が長方形片であって、大腿部位、膝、脚部の前面域をカバーできるよう配置されている。その膝スリーブは、膝の曲げ角度（矢状面）が所定のしきい値に達すると、音声信号が発信できるよう構成されている。膝の伸縮につれて、ポリマー被膜の繊維片の長さが変わり、角度変動につながるのである。音声信号を発信するしきい値も、変更可能である。膝スリーブは訓練動作に使用できるような堅固性をもつデバイスであり、一定かつ正確に音声信号によるフィードバック出力を与えることができる。

非接触の前十字靱帯の破断が頸部位の回転なしで突然の減速により発生するようなスポーツは、選手にとっては一般的である。そのようなスポーツにおける優秀な選手のコーチやトレーナーは、高い専門知識をもっており、その従来からの訓練プログラムに本形態例の膝スリーブを選定し利用できる。同様に、理学療法士などの医療関係者も、本形態例の膝スリーブを使って、リハビリ訓練中にフィードバック指示を患者に与えることができる。

前記膝スリーブの別の形態例として、膝の曲げ角度のデータが後分析のためリアルタイムでコンピュータに記録できるよう遠隔測定装置を備えても構わない。この形態例では、当然ながら、音声信号は第２指示要素となり、オプションとなる。本形態例はフィールドデバイスであって、動作中、訓練中だけでなく試合中にも膝の曲げ角度の測定が可能となる。マイクロ波送信機はデータを遠隔設置の受信機に送り、リアルタイムで記録できる。本形態例は、特に、上記で説明した種類のスポーツだけでなく、アルペンスキーなどの別のスポーツの現場テスト用途にも適する有益な生体力学測定デバイスである。

所定の訓練プログラムを熟知する専門トレーナーのいないスポーツ選手にとっっても、適当な形式の相方向マルチメディアを付属した本実施例の膝スリーブを入手可能である。たとえば、膝スリーブを利用して運動技術を向上させる訓練動作を選手にガイダンスするＣＤを付属して、膝スリーブを販売しても構わない。当然ながら、患者のリハビリ動作を迅速にできるよう、医療関係者が、マルチメディアを通じて各家庭へ指示するのにも利用できる。

さらに変形として、別途のポリマー被膜繊維片を追加して、（膝の曲げ動作のモニターに加えて）大腿部位の対する脚部の回転をモニターすることも可能である。膝スリーブからのフィードバック出力の伝達は、音声信号、振動信号、データ記録体のいずれでも行える。この膝の曲げ動作モニターに加えて頸部位回転のモニターも行える能力は、非接触による前十字靱帯の破断メカニズムが動作減速だけでなく頸部位回転にも起因するような種類の運動やスポーツにおいて、特に有効である。そのような運動は、サッカーやラグビーなどにおけるサイド工程動作時に一般的に行われる。

上記で説明した本発明の膝スリーブは、実施例にすぎない。たとえば、着用可能なセンサーを使用するような多様な用途例や実施例にも適用できるのは、当業者にとっては明白であろう。そのような実施例として、以下のようなものがあげられる。
・フットボール選手の訓練における、ボールを蹴る（飛ばす）ための膝スリーブ利用。
・日常の生活、作業、レクレーションにおける動作中における、正しい姿勢の習得のための頭部、胴体、足肢の動きのモニター用。
・クリケット競技におけるボウリング動作中において、過剰な肘の曲げによる反則行為を検知して、選手にフィードバック出力を送って運動技術を修正させれるよう、肘の動きのモニター用。
・クリケット競技のボウリング訓練における、歪ゲージ列を備えた着用可能ベスト形態での胴体の動きのモニター用。
・バスケットボールまたはネットボールのシュート練習における、手の中央または横方向のふれを検知するための手首の動きのモニター用。
・テニスのサーブ動作における、肘および／または手首の動きのモニター用。
・ゴルフのスイング動作における、胴体、手首、肘および／または膝の動きのモニター用。
・リハビリ運動プログラムにおける、患者の動作（移動角度）の進歩を反映させるためのトリガー点の上下方向への修正可能にする設定用。
・コンピュータやその他機械の入力信号を操作者が作成できるよう、グローブなどの形態への設定用。
・子供との相互動作に対処するための、おもちゃやその他遊技具に適用。

図４から図８に、さらに基礎的な設定の形態例や実施例を示す。図４ａは、Ｕ字形状の被膜構造による電流路の図である。Ｕ字形状の側面９と１０は、所定の移動により発生する下方繊維体の伸張の方向と整列する。この形態例では、電流路１１と１２の端部の幅が狭いため、電気接続３が概略化でき、コンパクトな構造が可能となる。

図４においては、導電ポリマー被膜層が多櫛形状１３で構成されている。櫛部１４から１９のそれぞれが、モニターされる動きにより起こる下方繊維体の伸張の方向と整列する。各櫛部の形状は、センサーの応答特性を変えるため電気接続３が１対の所定の櫛部に固定できるよう、異なる導電性の設定がなされている。

図５に示すフィードバックデバイスは、複数のセンサーを備えている。２つの別個のＵ字形状片２０と２１には、それぞれホイートストーンブリッジ回路２２と２３が接続されている。それらのホイートストーンブリッジ回路２２と２３は、比較器／信号発生器２４に接続している。それぞれ歪のしきい値点においてフィードバック指示出力を発信できるようＵ字形状片が設定されているので、本形態例の複数片センサーのデバイスは、生物学的構造体の動き量に基づいた簡単で直接的なバイオフィードバック出力を供給できる。たとえば、一方の片２０は２０％の歪のしきい値点でフィードバック出力を発信するが、他方の片２１は４０％の歪のしきい値点でフィードバック出力を発信する。２つの信号の発信時間をモニターすることにより、動き量が算定できる。それゆえ、適当な遠隔通信装置に接続され人体各部に配置された異なる発信センサーのネットワーク利用から、動きの複雑な分析が可能となる。

また、積層体の形態のデバイスであっても、テキスタイル反応の迅速性と同様に線形応答速度を早めることができる。図６ａは、それぞれ異なる動作範囲をもつ３層のポリマー被膜を備えた積層体を示す。Ｐ１の動作範囲は２０％で、そのしきい値点よりも長く伸びると、Ｐ１からフィードバック出力が発信される。同じように、Ｐ２とＰ３の動作範囲はそれぞれ４０％と６０％であって、それぞれのしきい値点に到達するとフィードバック出力が発信される。図６ｂは、前記積層体の動作範囲を示すグラフである。

さらにまた同様に、長さ方向の導電性が一定でないポリマー被膜片によっても、センサーの動作範囲を拡大することができる。ポリマー被膜片の導電性が部分的に異なり、つまり、動作範囲が異なるため、下方繊維体の伸張幅全体にわたってセンサーからフィードバック出力が発信できる。

図７ａは、押圧力Ｐとしての力学的入力をモニターできるよう設定されたセンサーの概略図である。押圧力Ｐが、その繊維層を互いに近接させて繊維体２５の導電性を変化させる。それにより、ホイートストーンブリッジ回路３の抵抗値が変化するのである。

さらに別の形態例として、図７ｂに示す積層体も押圧力Ｐをモニターするのに利用できる。２つのポリマー被膜層２６と２７のあいだに繊維体２５を挟んでいるため、圧力変動に対する導電性の感知を増加できる。ポリマー被膜層２６と２７の導線性が、繊維体２５の導電性よりも大きくなるよう設定してあるので、繊維体の抵抗値の変化がフィードバック出力の発信のためのしきい値点スイッチとなる。

図８は、色変化にてフィードバック出力を発信するフィードバックデバイスの概略図である。ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリンなどの導電性ポリマーの色は、そのポリマーの酸化状態に大きく依存している。ポリマーの還元反応または酸化反応により、ＵＶ光線／可視光線吸収特性が大きく変化する。ポリチオフェンの場合、化学反応は以下の式で表すことができる。

図８に示すように、ポリマー被膜層２８は支持電極体２９上に形成されている。適切な電極材料の１つに、酸化スズインジウムがある。２つの電極２９のあいだには電解体３０が備わり、ポリマー被膜電極２９はそれぞれ繊維歪センサー３２経由で電圧源３１に接続されている。モニターする動きに起因する繊維歪センサーの抵抗値の変化は、対応する回路電流の変動となって表れる。この電流変動を使って、ポリマー層２８の色変化を発生させることができる。それゆえ、色変化により、所望の動きのしきい値点における迅速で直接のフィードバック出力をユーザに与えられるのである。

なお上記の説明は、本発明の一例を述べたに過ぎない。前記実施例は記述説明のためのものであって、本発明のコンセプトの精神や範囲を制限するものではない。

本発明によるデバイスの概略図である。 本発明で使用する導電性ポリマー被膜繊維体の試験に利用するシステムの概略図である。 図１の装置で実施された試験結果のグラフである。 本発明によるデバイスの精巧な形態例の回路図である。 Ｕ字形状のフィードバックデバイスの概略図である。 複数櫛形状のフィードバックデバイスの概略図である。 本発明による複数片センサーを備えたフィードバックデバイスの概略図である。 本発明によるフィードバックデバイスのための積層センサーにおける異なるポリマー被膜層の概略図である。 図６ａの異なるポリマー被膜層における抵抗値と伸張度の関係を示すグラフである。 圧力測定用に設定されたフィードバックデバイスの概略図である。 圧力測定に使用する積層体の概略図である。 色変化によるフィードバック指示出力を供与する、本発明によるフィードバックデバイスの概略図である。

Claims (56)

1. フィードバックデバイスであって、そのデバイスへの力学的入力により電気インピーダンスに変動を起こせるよう、ある電気インピーダンスを有する電流通路を生成する導電性繊維体と、前記電流通路を流れる電流を発生する電圧源と、前記電流通路における電気インピーダンスの変動を検知し、そのデバイスへの力学的入力と同時にフィードバック指示出力を発生させるセンサーとからなる構造体のフィードバックデバイス。
2. 前記デバイスが生体力学フィードバックデバイスであって、前記構造体が可動生物学的構造体である請求項１記載のフィードバックデバイス。
3. 前記構造体が、ラケットやクラブなどのスポーツ用具の一部である請求項１記載のフィードバックデバイス。
4. 前記導電性繊維体が、少なくとも一部分が導電性ポリマー材で被膜された柔軟繊維体である請求項２記載のフィードバックデバイス。
5. 前記柔軟繊維体が、生物学的構造体およびその動きに密接に適合できるよう形成されている請求項４記載のフィードバックデバイス。
6. 前記柔軟繊維体が、商標「ライクラ（lycra）」のもとに市販されている繊維などの合成繊維である請求項５記載のフィードバックデバイス。
7. 前記柔軟繊維体が、木綿ライクラ（lycra）や羊毛ライクラ（lycra）などの混成物である請求項５記載のフィードバックデバイス。
8. 前記柔軟繊維体が、羊毛またはポリエステルである請求項５記載のフィードバックデバイス。
9. 前記導電性繊維体が、柔軟性の歪変換特性をもつ金属化繊維、炭素繊維、または、その他の適当な繊維である請求項１記載のフィードバックデバイス。
10. 前記フィードバック指示出力が、音声信号である請求項１記載のフィードバックデバイス。
11. 前記フィードバック指示出力が、使用者が感知できる振動信号またはその他の物理的刺激信号である請求項１記載のフィードバックデバイス。
12. 前記フィードバック指示出力が、センサーの色変化である請求項１記載のフィードバックデバイス。
13. 前記センサーが、力学的入力の結果である電流変動により、酸化または還元が可視の色変化を起こすような酸化反応に依存する色をもつ、固有導電性ポリマーで被膜された伝送電極を備える請求項１２記載のフィードバックデバイス。
14. 前記固有導電性ポリマーが、ポリピロール、ポリチオフェン、または、ポリアニリンである請求項１３記載のフィードバックデバイス。
15. 前記伝送電極が、酸化スズインジウムから形成される請求項１３記載のフィードバックデバイス。
16. 前記センサーが、変換器／フィードバック指示器を備える請求項１記載のフィードバックデバイス。
17. 前記センサーが、前記フィードバック指示器を変換器から遠隔配置するための送信機を備える請求項１６記載のフィードバックデバイス。
18. 前記送信機が、マイクロ波周波数域で動作する請求項１記載のフィードバックデバイス。
19. 前記センサーが、導電性ポリマー材により作成される電流通路が回路の可変抵抗部である、ホイートストーンブリッジ回路を備える請求項１記載のフィードバックデバイス。
20. 前記導電性ポリマー材により作成される電流通路が、柔軟性繊維体上に形成された被膜帯であって、その被膜帯の長さが、所定の力学的入力に起因する柔軟性繊維体の伸張の方向に整列する請求項１９記載のフィードバックデバイス。
21. 前記導電性ポリマー材が、Ｕ字形状の柔軟性繊維体上に被膜されており、そのＵ字形状の側面が、所定の力学的入力に起因する柔軟性繊維体の伸張の方向に整列する請求項１９記載のフィードバックデバイス。
22. 前記導電性ポリマー材が、多櫛フォーク形状の柔軟性繊維体上に被膜されており、その各櫛部の長さが、所定の力学的入力に起因する柔軟性繊維体の伸張の方向に整列する請求項１９記載のフィードバックデバイス。
23. 前記櫛部は異なる固有電気抵抗値を有し、それぞれの１対の櫛部の両端に取り付けられた電極が、異なる力学的入力応答特性を形成する請求項２２記載のフィードバックデバイス。
24. 前記フィードバック指示出力が、力学的入力が所定のしきい値より大きい場合に出力される請求項１９記載のフィードバックデバイス。
25. さらに、２つまたはそれ以上の数の電流通路を備え、その第１の電流通路からのフィードバック指示出力が、第１のしきい値より大きい力学的入力により生成され、かつ、第２の電流通路からのフィードバック指示出力が、第２のしきい値より大きい力学的入力により生成される請求項２４記載のフィードバックデバイス。
26. 前記第１のしきい値が、前記第２のしきい値と異なる請求項２５記載のフィードバックデバイス。
27. 前記第１と第２の電流通路が、互いに近接している請求項２６記載のフィードバックデバイス。
28. 前記センサーが、積層体内に２つまたはそれ以上の数の電流通路を備える請求項２４記載のフィードバックデバイス。
29. 前記各電流通路が、それぞれ異なるしきい値にてフィードバック指示出力を出力する請求項２８記載のフィードバックデバイス。
30. 前記積層構造体が、複数の異なるポリマー被膜層から成り、それぞれの層が１つの電流通路を形成し、各層は異なる伸張度合にてフィードバック指示出力を生成する請求項２９記載のフィードバックデバイス。
31. 前記電流通路が、その長さ方向において導電性が一定でなく、センサーが電流通路の所定区域でのインピーダンス変動を検知できるため、異なる力学的入力のしきい値にて各区域からフィードバック指示出力が出力される請求項２４記載のフィードバックデバイス。
32. 前記所定の力学的入力が、電気通路へ印加される押圧力である請求項１記載のフィードバックデバイス。
33. 前記電流通路が、２つのポリマー被膜層の間に挟まれた繊維層から成る積層体により作成される請求項３２記載のフィードバックデバイス。
34. 前記フィードバックデバイスが、下部足肢の動きをモニターできるよう設定されている請求項１記載のフィードバックデバイス。
35. 前記フィードバックデバイスが、膝関節の動き、および／または足首関節の動きをモニターできるよう設定されている請求項３４記載のフィードバックデバイス。
36. 前記フィードバックデバイスが、フットボール、ネットボール、バスケットボール、スキーなどの膝や足首の負傷が多く発生するスポーツの競技者のための着地訓練プログラム中における、訓練支援手段として利用できる請求項３５記載のフィードバックデバイス。
37. 前記フィードバックデバイスが、上部足肢の動きをモニターできるよう設定されている請求項１記載のフィードバックデバイス。
38. 前記フィードバックデバイスが、胴体、頭部、および／または、首部の動きをモニターできるよう設定されている請求項１記載のフィードバックデバイス。
39. 前記フィードバックデバイスが、クリケット選手のボウリング動作などの運動における競技者の技能の向上、バスケットボールやネットボールのシュート動作技能の向上、テニス選手のサーブ動作技能の向上、ゴルフ選手のスイング動作の向上、あるいは、日常の生活、作業、レクレーションなどの行為における参加者の姿勢の向上のための訓練支援手段として利用できる請求項３７または３８記載のフィードバックデバイス。
40. 前記繊維体が、スリーブ状に形成されており、前記導電ポリマー被膜がスリーブ上に配置され、使用の際には、競技者の足肢関節の動きが不良の場合にその競技者に警告を与えるため、フィードバック指示出力は音声信号として出力される請求項３４〜３９のいずれかに記載のフィードバックデバイス。
41. 構造体への力学的入力に応答してフィードバック指示出力を作成する方法であって、前記構造体への力学的入力により電流通路の電気インピーダンスに変動を起こせるよう、前記構造体上に電流通路を備える導電性繊維体を前記構造体に取り付ける工程と、前記電流通路に電圧を印加する工程と、前記電気インピーダンスの変動を検知するセンサーを使って、フィードバック指示出力を発生させる工程とからなるフィードバック指示出力の生成方法。
42. 前記方法のデバイスが生体力学フィードバックデバイスであって、前記構造体が可動生物学的構造体である請求項４１記載の方法。
43. 前記導電性繊維体が、少なくとも一部分が導電性ポリマー材で被膜された柔軟繊維体である請求項４２記載の方法。
44. 前記フィードバック指示出力が、音声信号である請求項４１記載の方法。
45. 前記フィードバック指示出力が、使用者が感知できる振動信号またはその他の物理的刺激信号である請求項４１記載の方法。
46. 前記フィードバック指示出力が、センサーの色変化である請求項４１記載の方法。
47. 前記センサーが、力学的入力の結果である電流変動により酸化または還元が可視の色変化を起こすような酸化反応に依存する色をもつ固有導電性ポリマーで被膜された伝送電極を備える請求項４６記載の方法。
48. 前記センサーが、変換器／フィードバック指示器を備える請求項４１記載の方法。
49. 前記センサーが、前記フィードバック指示器を変換器から遠隔配置するための送信機を備える請求項４８記載の方法。
50. 前記センサーが、導電性ポリマー材により作成される電流通路が回路の可変抵抗部であるホイートストーンブリッジ回路を備える請求項４１記載の方法。
51. 前記フィードバック指示出力が、力学的入力が所定のしきい値より大きい場合に出力される請求項４１記載の方法。
52. 前記フィードバックデバイスが、下部足肢の動きをモニターできるよう設定されている請求項４１記載の方法。
53. 前記フィードバックデバイスが、上部足肢、胴体、頭部、および／または、首部の動きをモニターできるよう設定されている請求項４１記載の方法。
54. 前記フィードバックデバイスが、膝関節の動き、および／または足首関節の動き、および／または、臀部関節の動きをモニターできるよう設定されている請求項５２記載の方法。
55. 前記フィードバックデバイスが、フットボール、ネットボール、バスケットボール、スキーなどの膝や足首の負傷が多く発生するスポーツの競技者のための着地訓練プログラム中における、訓練支援手段として利用できる請求項４１記載の方法。
56. 前記繊維体が、スリーブ状に形成されており、前記導電ポリマー被膜がスリーブ上に配置され、使用の際には、競技者の足肢関節の動きが不良の場合にその競技者に警告を与えるため、フィードバック指示出力は音声信号として出力される請求項５２〜５５のいずれかに記載の方法。

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