In het wielrennen proberen ploegen elkaar constant de loef af te steken. Niet alleen met het meest geavanceerde materiaalgebruik, maar ook door te verbeteren op voeding, trainingsmethodes en allerlei andere gebieden. Daarom kijkt Innovation Origins in de aanloop naar de Tour de France naar innovaties uit het peloton.  Hier de eerdere verhalen. Dit artikel komt van onderzoeksinstelling imec en verscheen eerder in imec magazine.

Wie regelmatig op de koersfiets zit, weet het: wielrennen is zeer belastend voor de onderrug. Ingenieurs en fysiotherapeuten slaan nu de handen ineen om een intelligent wielerpak te ontwikkelen met geïntegreerde sensoren om de houding van de renner te analyseren. Fysiotherapeuten zouden dit perfect kunnen gebruiken om meer inzicht te krijgen in rugproblemen bij renners, en wielrenners kunnen met zo’n pak ‘on the go’ constant hun houding evalueren en bijsturen. Geen blessures meer op de fiets!

Pieter Bauwens, Paula Veske en Tom Sterken, respectievelijk postdoc-onderzoeker, doctoraatsstudente en R&Dengineer bij CMST, een imec-onderzoeksgroep aan de Universiteit van Gent, vertellen over de sensoren en de integratie ervan in een wielerpak. Joke Schuermans, postdoc-onderzoeker bij kinesitherapie (fysiotherapie) en revalidatiewetenschappen aan UGent, verduidelijkt de link tussen conditie, vermoeidheid en een foute houding op de fiets. En vooral: hoe een wielerpak met sensoren een wereld van verschil kan maken voor (amateur)wielrenners.

Rek- en wasbare elektronica

Imecs CMST-labo aan de UGent werkt – net als imec in het Eindhovense Holst Center – al bijna 15 jaar aan technieken om elektronica rekbaar en wasbaar te maken. Ze zijn een wereldspeler op dit vlak. Tom Sterken: “De laatste 10 jaar is er in de chipindustrie veel vooruitgang geboekt op het kleiner en dunner maken van chips. Dit maakt het voor ons een stuk gemakkelijker om elektronische componenten (microprocessoren, sensoren, actuatoren) naadloos te integreren in textiel. Typisch werken we met rigide ‘eilandjes’ van elektronica die we verbinden met rekbare stroomgeleiders, ingebed in een beschermende folie. De stroomgeleiders hebben een unieke meandervorm waardoor de folie tot 2x zijn lengte kan uitgerekt worden zonder dat de stroomgeleiders breken.”

© imec

“De laatste 10 jaar is er veel vooruitgang geboekt op het kleiner en dunner maken van chips. Dit maakt het voor ons een stuk gemakkelijker om elektronische componenten naadloos te integreren in textiel”

Wielrennen is een sport die op alle leeftijden kan gedaan worden. Joke Schuermans: “Vaak beginnen iets oudere mensen of mensen met een mindere conditie te fietsen. Het probleem is echter dat de fietshouding sowieso erg belastend is voor de rug omdat de onderrug een onnatuurlijke bolle vorm aanneemt en dit gedurende lange tijd. Zo ontstaan dan al snel chronische problemen. De cijfers liegen niet: tot 80% van de wielrenners krijgt ooit te kampen met onderrugproblemen. Het is dus een significant probleem.”

En daar waar professionele wielrenners goed begeleid worden en een fiets krijgen die op maat gemaakt is en waar de zithouding nauwkeurig geanalyseerd en gecorrigeerd wordt, is dat bij de recreatieve wielrenner niet het geval en moeten die – na ettelijke bezoeken aan de fysio – vaak noodgedwongen stoppen met deze sport.

Joke Schuermans: “In het kader van het Nano4Sports-project onderzoek ik de relatie tussen bewegingscontrole, vermoeidheid en onderrugproblemen. Vaak zien we dat wanneer een renner vermoeid raakt tijdens een fietsinspanning, hij of zij meer bewegingen gaat vertonen ter hoogte van rug/torso en bekken. Dit is een natuurlijk fenomeen dat verklaard wordt door het feit dat hij of zij op zoek gaat naar strategieën om eenzelfde pedaalkracht te kunnen blijven genereren ondanks het feit dat de quadriceps vermoeid zijn en dus minder kracht kan komen vanuit de bovenbeenspieren. Dit compenserend bewegingspatroon, samen met de veranderende houding van romp en bekken, houden echter een potentieel risico in op ‘repetitive strain injuries’. De romp en bekkenspieren hebben van nature uit een in hoofdzaak stabiliserende functie en geen kracht-producerende of ‘propellerende’ functie, hetgeen ook wil zeggen dat de onderliggende segmenten niet opgewassen zijn tegen de mechanische belasting die gepaard gaat met deze vermoeidheid-gerelateerde compensatiebewegingen. Moest er een systeem bestaan waardoor de wielrenner tijdens de rit feedback kan krijgen over zijn houding en die dan kan corrigeren, zou dit de sport veel comfortabeler en aantrekkelijker maken.”

“Moest er een systeem bestaan waardoor de wielrenner tijdens de rit feedback kan krijgen over zijn houding en die dan kan corrigeren, zou dit de sport veel comfortabeler en aantrekkelijker maken.”

In de praktijk

Vandaag gebruikt de fysioherapeute voor haar onderzoek infrarood-reflectoren die op strategische plaatsen op het lichaam worden aangebracht. Een camera kan op die manier de bewegingen van het fietsende lichaam in kaart brengen en laten analyseren door specifieke software. Joke Schuermans: “Op deze manier deed ik – in het kader van Nano4Sport – metingen bij zo’n 90 vrijwilligers om meer inzicht te krijgen in onderrugproblemen bij wielrenners. Ik ben vooral geïnteresseerd in de link tussen vermoeidheid, conditie en een verkeerde houding op de fiets. Gaan mensen met een mindere conditie sneller een foute houding aannemen op de fiets? Gaan ook mensen met een betere conditie wanneer ze vermoeid zijn na een lange rit, een foute houding aannemen op de fiets? In het lab laat ik hen een inspanningsproef doen en meet ik – naast hartslag en wattage – ook het bewegingspatroon en als dusdanig de bewegingskwaliteit in functie van intensiteit en vermoeidheid. Uit de eerste onderzoeksresultaten is alvast gebleken dat renners die regelmatig klagen over lage rugpijn tijdens fietstrainingen, beduidend meer compensatiebewegingen ter hoogte van het bekken vertonen dan renners die volledig klachtenvrij zijn.”

Zeker, er zijn al consumentenproducten op de markt die beloven de fietshouding te meten. Zo is er het Duitse LEOMO dat een systeem van rond de 1.000 euro heeft maar dat vrij complexe feedback geeft. Joke Schuermans: “Eigenlijk moeten we streven naar een heel eenvoudig systeem – een slim wielerpak zou ideaal zijn – dat accurate metingen doet en dat communiceert met je smartphone of fietscomputer. De interface kan zo eenvoudig zijn als een rode en groene balk die van kleur verandert afhankelijk van hoe goed je fietshouding is. Op die manier wordt de sporter zich bewuster van zijn houding en kunnen chronische problemen vermeden worden.”

Een prototype van een slim wielerpak

CMST, ook lid van het Nano4Sports-project, kreeg de opdracht om zo’n wielerpak te ontwikkelen. Pieter Bauwens: “We gebruikten off-the-shelf bewegingssensoren (Bosh, BNO055) die bewegingen meten in de X-, Y- en Z-richting. Ze werden gepositioneerd ter hoogte van de onderrugwervels L1, L3, L5 en S1, alsook 2 sensoren langs de zijkant om de beweging van het bekken te meten. De sensornode werd aangepast zodat er met zeker 8 andere nodes informatie kan uitgewisseld worden. Alle nodes werden verbonden met een centrale microprocessor met Bluetooth-functionaliteit die ervoor zorgt dat de informatie draadloos kan doorgestuurd worden naar een smartphone of een sporthorloge. Dit alles werd met elkaar verbonden op basis van de flex-stretch technologie van CMST.”

Het eerste prototype van het slimme wielerpak verbergt onder het textiel 6 sensoren die beweging in de X-, Y- en Z-richting meten. Een centrale module met batterij bevindt zich onderaan de rug en kan gemakkelijk in- en uitgeklikt worden, bv. om te wassen. © imec

Paula Veske: “We gebruikten een 25µm-dikke laag van thermoplastic polyurethaan (TPU) om de elektronica te beschermen en te integreren in het wielerpak. Eerst werd een TPU-laag gelamineerd op het textiel met een warmtepers (170°C en 4bar gedurende 20sec). Hierdoor wordt het TPU zachter en zet het zich vast op het textiel. Daarna werd de elektronicamodule op de TPU-laag aangebracht. En tenslotte werd dit geheel bedekt met een TPU-gelamineerd stukje textiel waarna dit nog eens met de warmtepers behandeld werd. Omdat de batterij niet mee kon gelamineerd worden – omwille van de hoge procestemperaturen – werd nadien een centrale module met batterij op het geheel gesoldeerd. Als het systeem ooit op de markt zou komen, zal de centrale module met batterij waarschijnlijk voorzien worden als een inklikbaar doosje dat gemakkelijk van het slimme wielerpak kan op- en uitgeklikt worden, hetgeen ook belangrijk is voor het wassen en het opladen van de batterij.”

Natuurlijk gaat het hier nog maar om een prototype dat nu verder zal getest worden door de fysiotherapeute om na te gaan of de metingen even betrouwbaar zijn als die met het standaardsysteem. CMST zal dan op zoek gaan naar bedrijven die dergelijk slim wielerpak op de markt willen brengen.

Ook voor op kantoor

Kinesiste Joke Schuermans is alvast enthousiast: “Draadloze sensoren zullen een enorme vooruitgang betekenen voor ons (bewegings)onderzoek. Vandaag kunnen we al draadloze sensoren gebruiken voor spierspanning terwijl de sporter loopt op de loopband. Dergelijke metingen waren onmogelijk met bedrade sensoren. Met uitzondering van houdings- en bewegingsanalyse gekoppeld aan een dynamische bike-fit procedure, is bewegingsonderzoek in het kader van blessurepreventie praktisch onbestaand in de wielerwereld en valt er dus nog veel kennis op te doen om het sporten aangenamer en gezonder te maken. Een tape met draadloze bewegingssensoren die we op de rug kunnen kleven, zou al een grote stap voorwaarts zijn. Maar als de wielrenner hier buiten stapt, moet hij zich ook bewust blijven van zijn houding op de fiets, en dan is een slim wielerpak de perfecte oplossing.”

En dat is allerminst het slotstuk. “En gelijkaardige technologie kan ook nuttig zijn in andere kledij: in een sporttenue voor het correct uitvoeren van buik- en rugspieroefeningen, of in alledaagse kledij om de houding tijdens onze lange zittende uren op kantoor in het oog te houden.”

Het project Nano4Sports is gefinancierd binnen het Interreg V programma Vlaanderen-Nederland, het grensoverschrijdend samenwerkingsprogramma met financiële steun van het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling