Komputery w twoich ubraniach? Kamień milowy dla elektroniki użytkowej
Aug 22, 2018

Naukowcy, którzy pracują nad rozwojem elektroniki do noszenia, osiągnęli kamień milowy: są w stanie wyhaftować obwody w tkaninę z precyzją 0,1 mm - idealne rozmiary, aby zintegrować elementy elektroniczne, takie jak czujniki i urządzenia pamięci komputera, w odzież.

Dzięki temu postępowi naukowcy z Ohio State University podjęli kolejny krok w kierunku projektowania funkcjonalnych tkanin-ubrań, które gromadzą, przechowują lub transmitują informacje cyfrowe. Dalszy rozwój technologii może doprowadzić do powstania koszulek, które będą stanowić antenę dla smartfona lub tabletu, ubrań treningowych monitorujących poziom Twojej sprawności, sprzętu sportowego monitorującego wyniki sportowców, bandaży, które powiedzą twojemu doktorowi, jak dobrze tkwią pod nim uzdrawiająca, a nawet elastyczna czapka z tkaniny wyczuwająca aktywność w mózgu.

Ostatni przedmiot to John Volakis, dyrektor Laboratorium ElectroScience w stanie Ohio, oraz badaczka naukowa Asimina Kiourti. Chodzi o to, aby implanty mózgowe, które są opracowywane w leczeniu stanów od padaczki do uzależnienia, były bardziej komfortowe, eliminując potrzebę zewnętrznego okablowania na ciele pacjenta.

"Rewolucja dzieje się w przemyśle włókienniczym", powiedział Volakis, który jest także przewodniczącym Roy & Lois Chope, profesorem elektrotechniki w Ohio State. "Wierzymy, że funkcjonalne tkaniny są technologią umożliwiającą komunikację i wykrywanie - a pewnego dnia nawet aplikacje medyczne, takie jak obrazowanie i monitorowanie zdrowia."

Niedawno on i Kiourti udoskonalili swoją opatentowaną metodę produkcji, aby stworzyć prototypowe przedmioty użytkowe za ułamek kosztów i połowę czasu, jaki mogli otrzymać zaledwie dwa lata temu. W oczekiwaniu na nowe patenty opublikowali nowe wyniki w czasopiśmie IEEE Antennas i Wireless Propagation Letters.

W pracowni Volakisa funkcjonalne tkaniny, zwane także "e-tekstylnymi", powstają w części na typowej maszynie do szycia na stole - takiej, jaką mogliby mieć rzemieślnicy i hobbystyczni rzemieślnicy w domu. Podobnie jak inne nowoczesne maszyny do szycia, automatycznie haftuje wątek w tkaninę w oparciu o wzorzec załadowany za pomocą pliku komputerowego. Naukowcy zastępują nitkę drobnymi srebrnymi metalowymi drutami, które po haftowaniu czują się tak samo, jak tradycyjne nici w dotyku.

"Zaczęliśmy od technologii, która jest bardzo dobrze znana - haftu maszynowego - i zapytaliśmy, jak możemy funkcjonalizować haftowane kształty? Jak sprawić, by przekazywały sygnały na użytecznych częstotliwościach, na przykład w telefonach komórkowych lub czujnikach zdrowia? "Powiedział Volakis. "Teraz, po raz pierwszy, osiągnęliśmy dokładność drukowanych obwodów drukowanych z metalu, więc naszym nowym celem jest wykorzystanie precyzji w celu włączenia odbiorników i innych elementów elektronicznych."

Kształt haftu określa częstotliwość działania anteny lub obwodu, wyjaśnia Kiourti.

Na przykład kształt jednej szerokopasmowej anteny składa się z ponad sześciu powiązanych ze sobą geometrycznych kształtów, z których każdy jest nieco większy od paznokcia, tworzących skomplikowane koło o średnicy kilku cali. Każdy element koła transmituje energię na innej częstotliwości, dzięki czemu pokrywają one szerokie spektrum energii podczas wspólnej pracy - stąd "szerokopasmowa" zdolność anteny do telefonu komórkowego i dostępu do Internetu.

"Kształt determinuje funkcję" - powiedziała. "I nigdy tak naprawdę nie wiesz, jaki kształt będziesz potrzebował od jednej aplikacji do drugiej. Dlatego chcieliśmy mieć technologię, która mogłaby wyhaftować dowolny kształt do dowolnej aplikacji. "

Początkowym celem naukowców, dodał Kiourti, było zwiększenie precyzji haftu w jak największym stopniu, co wymagało pracy z cienkim srebrnym drutem. Ale to stwarzało problem, ponieważ druty cienkie nie mogły zapewnić tak dużej przewodności powierzchniowej jak grube druty. Musieli więc znaleźć sposób na to, aby cienka nić mogła nadać gęstości i kształty haftu, co zwiększyłoby przewodność powierzchni, a tym samym wydajność anteny / czujnika.

Wcześniej naukowcy używali powleczonej srebrem nici polimerowej o średnicy 0,5 mm, każda nitka składa się z 600 jeszcze drobniejszych włókien skręconych ze sobą. Nowe gwinty mają średnicę 0,1 mm, wykonane z tylko siedmiu włókien. Każde włókno ma pośrodku miedź, emaliowaną czystym srebrem.

Kupują drut za szpulę kosztem 3 centów za stopę; Kiourti oszacował, że haftowanie pojedynczej anteny szerokopasmowej, takiej jak wspomniana powyżej, pochłania około 10 stóp nici, kosztem materiału około 30 centów za antenę. To 24 razy mniej kosztowne niż w przypadku Volakisa i Kiourti, które stworzyły podobne anteny w 2014 roku.

Częściowo oszczędności kosztów wynikają z zastosowania mniejszej ilości nici na haft. Naukowcy musieli wcześniej ułożyć grubszą nić w dwie warstwy, jedną na drugiej, aby antena miała wystarczająco silny sygnał elektryczny. Ale doskonaląc technikę, którą opracowały ona i Volakis, Kiourti był w stanie stworzyć nowe, precyzyjne anteny tylko w jednej haftowanej warstwie drobniejszej nici. Teraz proces zajmuje połowę czasu: tylko około 15 minut na wspomnianą wyżej antenę szerokopasmową.

Włączyła również pewne techniki wspólne dla produkcji mikroelektroniki, aby dodać części do haftowanych anten i obwodów.

Jedna prototypowa antena wygląda jak spirala i można ją wyhaftować w ubraniu, aby poprawić odbiór sygnału z telefonu komórkowego. Kolejny prototyp, rozciągliwa antena ze zintegrowanym chipem RFID (identyfikacja radiowa) wbudowanym w gumę, przenosi aplikacje do tej technologii poza odzież. (Ten ostatni obiekt był częścią badań przeprowadzonych dla producenta opon).

Kolejny obwód przypomina logo "O" z Ohio State Block, z nie przewodzącą szkarłatną i szarą nicią wyhaftowaną wśród srebrnych drutów "w celu zademonstrowania, że e-tekstylia mogą być zarówno dekoracyjne, jak i funkcjonalne" - powiedział Kiourti.

Mogą być dekoracyjne, ale wyhaftowane anteny i obwody działają. Testy wykazały, że wyhaftowana spiralna antena ma około sześciu cali transmitowanych sygnałów przy częstotliwościach od 1 do 5 GHz z niemal doskonałą wydajnością. Wyniki sugerują, że spirala byłaby dobrze dostosowana do szerokopasmowego internetu i komunikacji komórkowej.

Innymi słowy, koszula na plecach może pomóc w zwiększeniu odbioru smartfona lub tabletu, który trzymasz - lub przesyłać sygnały na urządzenia dzięki zdrowiu lub wynikom sportowym.

Praca dobrze pasuje do roli Ohio State jako założyciela Advanced Functional Fabrics of America Institute, krajowego centrum zasobów produkcyjnych dla przemysłu i rządu. Nowy instytut, który dołącza do 50 uniwersytetów i partnerów przemysłowych, został ogłoszony na początku tego miesiąca przez amerykańską sekretarz obrony Ashton Carter.

Materiały zaawansowane Syscom w Columbus dostarczyły wątków używanych w początkowej pracy Volakisa i Kiourtiego. Drobniejsze nici użyte w tym badaniu zostały zakupione od szwajcarskiego producenta Elektrisola. Badania są finansowane przez National Science Foundation, a Ohio State udziela licencji na technologię do dalszego rozwoju.

Do tego czasu Volakis przygotowuje listę zakupów do następnej fazy projektu.

"Chcemy większej maszyny do szycia", powiedział.

Oryginalny artykuł pochodzi z iconnect007