Hjem > Nyheter > Innhold
Datamaskiner i klærne dine? En Milestone For Wearable Electronics
Aug 22, 2018

Forskere som jobber med å utvikle slitesterk electronicshave nådde en milepæl: De er i stand til å brodere kretser i stoff med 0,1 mm presisjon - den perfekte størrelsen for å integrere elektroniske komponenter som sensorer og datalager til klær.

Med dette fremskritt har forskerne fra Ohio State University tatt det neste skrittet mot utformingen av funksjonelle tekstiler-klær som samler, lagrer eller overfører digital informasjon. Med videreutviklingen kan teknologien føre til skjorter som fungerer som antenner for smart telefon eller nettbrett, trenings klær som overvåker treningsnivået ditt, sportsutstyr som overvåker atleteres ytelse, en bandasje som forteller legen din hvor godt vevet under det er helbredende - eller til og med en fleksibel stoffhett som sanser aktivitet i hjernen.

Det siste elementet er en som John Volakis, direktør for ElectroScience Laboratory i Ohio State, og forsker Asimina Kiourti undersøker. Tanken er å lage hjerneimplantater, som er under utvikling for å behandle forhold fra epilepsi til avhengighet, mer behagelig ved å eliminere behovet for ekstern ledning på pasientens kropp.

"En revolusjon skjer i tekstilindustrien," sa Volakis, som også er Roy & Lois Chope Chair professor i elektroteknikk ved Ohio State. "Vi mener at funksjonelle tekstiler er en mulig teknologi for kommunikasjon og sensing - og en dag til og med medisinske applikasjoner som bildebehandling og helseovervåking."

For nylig raffinerte han og Kiourti sin patenterte fabrikasjonsmetode for å lage prototype wearables til en brøkdel av kostnaden og på halvparten av tiden som de bare kunne for to år siden. Med nye patenter på vent, publiserte de de nye resultatene i tidsskriftet IEEE Antenner og Wireless Propagation Letters.

I Volakis 'laboratorium er de funksjonelle tekstilene, også kalt "e-tekstiler", opprettet delvis på en typisk bordssykkel maskin - den typen som håndverkere og hobbyister kan ha hjemme. I likhet med andre moderne symaskiner, broder det tråd inn i stoffet automatisk basert på et mønster lastet via en datafil. Forskerne erstatter tråden med fine sølvmetall-ledninger som, når de er brodert, føles det samme som tradisjonell tråd til berøring.

"Vi startet med en teknologi som er veldig kjent - maskinbroderi - og vi spurte hvordan kan vi funksjonalisere broderte former? Hvordan får vi dem til å sende signaler til nyttige frekvenser, som for mobiltelefoner eller helsensorer? "Volakis sa. "Nå har vi for første gang oppnådd nøyaktigheten til kretskort av trykt metall, så vårt nye mål er å utnytte presisjonen til å innlemme mottakere og andre elektroniske komponenter."

Formen på broderiet bestemmer frekvensen for driften av antennen eller kretsen, forklarte Kiourti.

Formen på en bredbåndsantenne består for eksempel av mer enn et halvt dusin sammenlåsende geometriske former, hver litt større enn en fingernail, som danner en intrikat sirkel noen få inches over. Hvert stykke sirkelen overfører energi med en annen frekvens, slik at de dekker et bredt spekter av energier når de arbeider sammen, og dermed "bredbånd" -egenskapen til antennen for mobiltelefon og internettilgang.

"Form bestemmer funksjon," sa hun. "Og du vet egentlig ikke hvilken form du trenger fra ett program til det neste. Så vi ønsket å ha en teknologi som kunne brodere enhver form for enhver applikasjon. "

Forskernes første mål, Kiourti tilførte, var bare for å øke broderiets presisjon så mye som mulig, noe som nødvendiggjorde å jobbe med fin sølvtråd. Men det skapte et problem, da de fine ledningene ikke kunne gi så mye overflateledningsevne som tykke ledninger. Så måtte de finne en måte å arbeide den fine tråden inn i broderdensiteter og former som ville øke overflateledningsevnen og dermed antennen / sensorens ytelse.

Tidligere hadde forskerne brukt sølvbelagt polymertråd med en diameter på 0,5 mm, hver tråd laget av 600 jevnere finere filamenter snoet sammen. De nye trådene har en diameter på 0,1 mm, laget med bare syv filamenter. Hver filament er kobber i midten, emaljert med rent sølv.

De kjøper ledningen av spolen til en pris på 3 cent per fot; Kiourti anslår at brodering av en enkelt bredbåndsantenne som den som er nevnt ovenfor, bruker omtrent 10 meter tråd, for en materiell kostnad på rundt 30 cent per antenne. Det er 24 ganger billigere enn da Volakis og Kiourti opprettet lignende antenner i 2014.

Til dels kommer kostnadsbesparelsene fra å bruke mindre tråd per broderi. Forskerne hadde tidligere å stable den tykkere tråden i to lag, den ene på toppen av den andre, for å få antennen til å ha et sterkt nok elektrisk signal. Men ved å raffinere teknikken som hun og Volakis utviklet, var Kiourti i stand til å skape de nye, høyspesifikke antennene i bare ett brodert lag av den finere tråden. Så nå tar prosessen halvparten av tiden: bare ca. 15 minutter for bredbåndsantenne som nevnt ovenfor.

Hun har også innarbeidet noen teknikker som er felles for mikroelektronikkproduksjon for å legge til deler til broderte antenner og kretser.

En prototype antenne ser ut som en spiral og kan broderes inn i klær for å forbedre mottak av mobiltelefonens signal. En annen prototype, en strekkbar antenne med en integrert RFID (radiofrekvensidentifikasjon) chip innebygd i gummi, tar applikasjonene for teknologien utover klærne. (Det siste objektet var en del av en undersøkelse gjort for en dekkprodusent.)

En annen krets ligner Ohio State Block "O" -logoen, med ikke-ledende skarlet og grå tråd brodert blant sølvtrådene "for å demonstrere at e-tekstiler kan være både dekorative og funksjonelle," sa Kiourti.

De kan være dekorative, men de broderte antennene og kretsene fungerer faktisk. Test viste at en brodert spiral antenne måler omtrent seks inches over transmitterte signaler ved frekvenser på 1 til 5 GHz med nesten perfekt effektivitet. Resultatet antyder at spiralen ville være godt egnet for bredbåndsinternett og mobilkommunikasjon.

Med andre ord, skjorten på ryggen din kan bidra til å øke mottaket av smarttelefonen eller nettbrettet du holder - eller send signaler til enhetene dine med helse- eller atletisk ytelsesdata.

Arbeidet passer godt med Ohio States rolle som grunnlegger av Advanced Institute of Advanced Functional Fabrics of America Institute, et nasjonalt produksjonsressursenter for industri og regjering. Det nye instituttet, som går med rundt 50 universiteter og industripartnere, ble annonsert tidligere i måneden av amerikanske forsvarsminister Ashton Carter.

Syscom Advanced Materials i Columbus ga trådene som ble brukt i Volakis og Kiourti sitt første arbeid. De finere trådene som ble brukt i denne studien, ble kjøpt fra sveitsisk produsent Elektrisola. Forskningen er finansiert av National Science Foundation, og Ohio State vil lisensiere teknologien for videreutvikling.

Inntil da utarbeider Volakis en handleliste for neste fase av prosjektet.

"Vi vil ha en større symaskin," sa han.

Den opprinnelige artikkelen kommer fra iconnect007