COLUMBUS, Ohio—forskere, der arbejder på at udvikle bærbar elektronik, har nået en milepæl: de er i stand til at brodere kredsløb i stof med 0, 1 mm præcision—den perfekte størrelse til at integrere elektroniske komponenter såsom sensorer og computerhukommelsesenheder i tøj.
med dette fremskridt har Ohio State University—forskerne taget det næste skridt mod design af funktionelle tekstiler-tøj, der samler, opbevarer eller transmitterer digital information. Med yderligere udvikling kan teknologien føre til skjorter, der fungerer som antenner til din smartphone eller tablet, træningstøj, der overvåger dit fitnessniveau, sportsudstyr, der overvåger atleternes præstationer, et bandage, der fortæller din læge, hvor godt vævet under det heler—eller endda en fleksibel stofhætte, der registrerer aktivitet i hjernen.
Asimina Kiourti. Foto af Jo McCulty, høflighed
fra Ohio State University.
det sidste punkt er en, som John Volakis, direktør for ElectroScience Laboratory i Ohio State, og forsker Asimina Kiourti undersøger. Ideen er at gøre hjerneimplantater, som er under udvikling for at behandle tilstande fra epilepsi til afhængighed, mere behagelige ved at eliminere behovet for eksterne ledninger på patientens krop.
“der sker en revolution i tekstilindustrien,” sagde Volakis, der også er Roy & Lois Chope formand Professor i elektroteknik ved Ohio State. “Vi mener, at funktionelle tekstiler er en muliggørelsesteknologi til kommunikation og sensing—og en dag endda medicinske applikationer som billeddannelse og sundhedsovervågning.”
for nylig raffinerede han og Kiourti deres patenterede fabrikationsmetode til at skabe prototype bærbare til en brøkdel af prisen og på den halve tid, som de kun kunne for to år siden. Med nye patenter i afventning offentliggjorde de de nye resultater i tidsskriftet IEEE Antenns og trådløse Formeringsbreve.
John Volakis
i Volakis’ laboratorium skabes de funktionelle tekstiler, også kaldet “e-tekstiler”, delvist på en typisk bordplade symaskine—den slags stofhåndværkere og hobbyister måske har derhjemme. Ligesom andre moderne symaskiner broderer den tråd i Stof automatisk baseret på et mønster indlæst via en computerfil. Forskerne erstatter tråden med fine sølvmetaltråde, der, når de først er broderet, føles det samme som traditionel tråd at røre ved.
“vi startede med en teknologi, der er meget velkendt—maskinbroderi—og vi spurgte, Hvordan kan vi funktionalisere broderede former? Hvordan får vi dem til at transmittere signaler ved nyttige frekvenser, som for mobiltelefoner eller sundhedssensorer?”Sagde Volakis. “Nu har vi for første gang opnået nøjagtigheden af trykte metalkredsløb, så vores nye mål er at drage fordel af præcisionen til at inkorporere modtagere og andre elektroniske komponenter.”
broderiets form bestemmer frekvensen af antennens eller kredsløbets drift, forklarede Kiourti.
formen på en bredbåndsantenne består for eksempel af mere end et halvt dusin sammenlåsende geometriske former, hver lidt større end en negle, der danner en indviklet cirkel et par centimeter på tværs. Hvert stykke af cirklen transmitterer energi med en anden frekvens, så de dækker et bredt spektrum af energier, når de arbejder sammen—deraf antennens “bredbånd” – evne til mobiltelefon og internetadgang.
“form bestemmer funktion,” sagde hun. “Og du ved aldrig rigtig, hvilken form du har brug for fra en applikation til den næste. Så vi ønskede at have en teknologi, der kunne brodere enhver form til enhver applikation.”
forskernes oprindelige mål, tilføjede Kiourti, var bare at øge broderiets præcision så meget som muligt, hvilket nødvendiggjorde arbejde med fin sølvtråd. Men det skabte et problem, idet fine ledninger ikke kunne give så meget overfladeledningsevne som tykke ledninger. Så de måtte finde en måde at arbejde den fine tråd ind i broderitætheder og former, der ville øge overfladens ledningsevne og dermed antenne/sensorens ydeevne.
tidligere havde forskerne brugt Sølvbelagt polymertråd med en diameter på 0,5 mm, hver tråd består af 600 endnu finere filamenter snoet sammen. De nye tråde har en diameter på 0,1 mm, lavet med kun syv filamenter. Hver filament er kobber i midten, emaljeret med rent sølv.
de køber ledningen ved spolen til en pris af 3 cent pr.fod; Kiourti anslog, at brodering af en enkelt bredbåndsantenne som den ovennævnte bruger omkring 10 fod tråd til en materialeomkostning på omkring 30 cent pr. antenne. Det er 24 gange billigere end da Volakis og Kiourti skabte lignende antenner i 2014.
delvis kommer omkostningsbesparelserne ved at bruge mindre tråd pr. Forskerne var tidligere nødt til at stable den tykkere tråd i to lag, den ene oven på den anden, for at få antennen til at bære et stærkt nok elektrisk signal. Men ved at forfine den teknik, som hun og Volakis udviklede, var Kiourti i stand til at skabe de nye antenner med høj præcision i kun et broderet lag af den finere tråd. Så nu tager processen halvdelen af tiden: 15 minutter for den ovenfor nævnte bredbåndsantenne.
hun har også indarbejdet nogle teknikker, der er fælles for mikroelektronikproduktion for at tilføje dele til broderede antenner og kredsløb.
en prototype antenne ligner en spiral og kan broderes i tøj for at forbedre mobiltelefonens signalmodtagelse. En anden prototype, en strækbar antenne med en integreret RFID (radiofrekvensidentifikation) chip indlejret i gummi, tager applikationerne til teknologien ud over tøj. (Sidstnævnte objekt var en del af en undersøgelse udført for en dækproducent.)
endnu et kredsløb ligner Ohio State Block “O”-logoet med ikke-ledende skarlagen og grå tråd broderet blandt sølvtrådene “for at demonstrere, at e-tekstiler kan være både dekorative og funktionelle,” sagde Kiourti.
de kan være dekorative, men de broderede antenner og kredsløb fungerer faktisk. Test viste, at en broderet spiralantenne, der måler cirka seks tommer på tværs af transmitterede signaler ved frekvenser på 1 til 5 gange med næsten perfekt effektivitet. Ydeevnen antyder, at spiralen ville være velegnet til bredbåndsinternet og cellulær kommunikation.
med andre ord kan trøjen på ryggen hjælpe med at øge modtagelsen af den smartphone eller tablet, du holder – eller sende signaler til dine enheder med sundheds-eller atletiske præstationsdata.
arbejdet passer godt sammen med Ohio State ‘ s rolle som grundlægger af Advanced Functional Fabrics of America Institute, et nationalt produktionsressourcecenter for industri og regering. Det nye institut, der slutter sig til omkring 50 universiteter og industrielle partnere, blev annonceret tidligere i denne måned af den amerikanske forsvarsminister Ashton Carter.
Syscom avancerede materialer i Columbus leverede de tråde, der blev brugt i Volakis og Kiourtis oprindelige arbejde. De finere tråde, der blev brugt i denne undersøgelse, blev købt hos den svenske producent Elektrisola. Forskningen er finansieret af National Science Foundation, og Ohio State vil licensere teknologien til videre udvikling.
indtil da udarbejder Volakis en indkøbsliste til den næste fase af projektet.
“vi vil have en større symaskine,” sagde han.