COLUMBUS, Ohio — Forscher, die an der Entwicklung tragbarer Elektronik arbeiten, haben einen Meilenstein erreicht: Sie können Schaltkreise mit 0,1 mm Präzision in Gewebe sticken — die perfekte Größe, um elektronische Komponenten wie Sensoren und Computerspeichergeräte in Kleidung zu integrieren.
Mit diesem Fortschritt haben die Forscher der Ohio State University den nächsten Schritt in Richtung Design von Funktionstextilien gemacht — Kleidung, die digitale Informationen sammelt, speichert oder überträgt. Mit der Weiterentwicklung könnte die Technologie zu Hemden führen, die als Antennen für Ihr Smartphone oder Tablet fungieren, Trainingskleidung, die Ihr Fitnessniveau überwacht, Sportgeräte, die die Leistung von Sportlern überwachen, ein Verband, der Ihrem Arzt mitteilt, wie gut das darunter liegende Gewebe heilt — oder sogar eine flexible Stoffkappe, die die Aktivität im Gehirn wahrnimmt.
Asimina Kiourti. Foto von Jo McCulty, mit freundlicher Genehmigung
der Ohio State University.
Dieser letzte Punkt ist einer, den John Volakis, Direktor des ElectroScience Laboratory an der Ohio State, und die Forscherin Asimina Kiourti untersuchen. Die Idee ist, Gehirnimplantate, die sich in der Entwicklung befinden, um Zustände von Epilepsie bis Sucht zu behandeln, komfortabler zu machen, indem keine externe Verkabelung am Körper des Patienten erforderlich ist.
„In der Textilindustrie findet eine Revolution statt“, sagte Volakis, der auch Roy & Lois Chope Chair Professor für Elektrotechnik an der Ohio State ist. „Wir glauben, dass Funktionstextilien eine Schlüsseltechnologie für Kommunikation und Sensorik sind — und eines Tages sogar für medizinische Anwendungen wie Bildgebung und Gesundheitsüberwachung.“
Vor kurzem haben er und Kiourti ihre patentierte Herstellungsmethode verfeinert, um Prototypen von Wearables zu einem Bruchteil der Kosten und in der Hälfte der Zeit herzustellen, wie sie es noch vor zwei Jahren konnten. Mit neuen angemeldeten Patenten veröffentlichten sie die neuen Ergebnisse in der Zeitschrift IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters.
John Volakis
In Volakis‘ Labor entstehen die Funktionstextilien, auch „E-Textiles“ genannt, zum Teil auf einer typischen Tischnähmaschine — wie sie Stoffhandwerker und Bastler vielleicht zu Hause haben. Wie andere moderne Nähmaschinen stickt es Faden automatisch in Stoff, basierend auf einem Muster, das über eine Computerdatei geladen wurde. Die Forscher ersetzen den Faden durch feine silberne Metalldrähte, die sich nach dem Besticken wie traditioneller Faden anfühlen.
„Wir begannen mit einer Technologie, die sehr bekannt ist — Maschinenstickerei – und wir fragten, wie können wir gestickte Formen funktionalisieren? Wie bringen wir sie dazu, Signale mit nützlichen Frequenzen zu übertragen, wie für Mobiltelefone oder Gesundheitssensoren?“ Sagte Volakis. „Jetzt haben wir zum ersten Mal die Genauigkeit von Leiterplatten erreicht, daher ist es unser neues Ziel, die Präzision zu nutzen, um Empfänger und andere elektronische Komponenten zu integrieren.“
Die Form der Stickerei bestimmt die Betriebsfrequenz der Antenne oder des Schaltkreises, erklärte Kiourti.
Die Form einer Breitbandantenne besteht zum Beispiel aus mehr als einem halben Dutzend ineinandergreifenden geometrischen Formen, die jeweils etwas größer als ein Fingernagel sind und einen komplizierten Kreis mit einem Durchmesser von wenigen Zentimetern bilden. Jedes Stück des Kreises überträgt Energie mit einer anderen Frequenz, so dass sie ein breites Spektrum von Energien abdecken, wenn sie zusammenarbeiten — daher die „Breitband“ -Fähigkeit der Antenne für Handy und Internetzugang.
„Form bestimmt Funktion“, sagte sie. „Und Sie wissen nie wirklich, welche Form Sie von einer Anwendung zur nächsten benötigen. Also wollten wir eine Technologie haben, die jede Form für jede Anwendung sticken kann.“
Das ursprüngliche Ziel der Forscher, fügte Kiourti hinzu, war es, die Präzision der Stickerei so weit wie möglich zu erhöhen, was die Arbeit mit feinem Silberdraht erforderte. Dies führte jedoch zu einem Problem, da feine Drähte nicht so viel Oberflächenleitfähigkeit bieten konnten wie dicke Drähte. Sie mussten also einen Weg finden, den feinen Faden in Stickdichten und -formen zu verarbeiten, die die Oberflächenleitfähigkeit und damit die Antennen- / Sensorleistung steigern würden.
Zuvor hatten die Forscher silberbeschichtete Polymerfäden mit einem Durchmesser von 0,5 mm verwendet, wobei jeder Faden aus 600 noch feineren, miteinander verdrillten Filamenten bestand. Die neuen Fäden haben einen Durchmesser von 0,1 mm und bestehen aus nur sieben Filamenten. Jedes filament ist kupfer in der mitte, emailliert mit reinem silber.
Sie kaufen den Draht auf der Spule zu einem Preis von 3 Cent pro Fuß; Kiourti schätzte, dass das Sticken einer einzelnen Breitbandantenne wie der oben genannten etwa 10 Fuß Faden verbraucht, was Materialkosten von etwa 30 Cent pro Antenne verursacht. Das ist 24-mal günstiger als bei Volakis und Kiourti, die 2014 ähnliche Antennen entwickelten.
Die Kosteneinsparungen resultieren zum Teil aus der Verwendung von weniger Faden pro Stickerei. Zuvor mussten die Forscher den dickeren Faden in zwei Schichten übereinander stapeln, damit die Antenne ein ausreichend starkes elektrisches Signal überträgt. Aber durch die Verfeinerung der Technik, die sie und Volakis entwickelten, konnte Kiourti die neuen, hochpräzisen Antennen in nur einer gestickten Schicht des feineren Fadens herstellen. So, jetzt dauert der Prozess die Hälfte der Zeit: nur etwa 15 Minuten für die oben erwähnte Breitbandantenne.
Sie hat auch einige Techniken integriert, die in der Mikroelektronikherstellung üblich sind, um Teile zu gestickten Antennen und Schaltungen hinzuzufügen.
Ein prototyp antenne sieht aus wie eine spirale und können bestickt werden in kleidung zu verbessern handy signal empfang. Ein weiterer Prototyp, eine dehnbare Antenne mit einem integrierten RFID-Chip (Radio Frequency Identification), der in Gummi eingebettet ist, führt die Anwendungen für die Technologie über die Kleidung hinaus. (Letzteres Objekt war Teil einer Studie für einen Reifenhersteller.)
Eine weitere Schaltung ähnelt dem Ohio State Block „O“ -Logo, mit einem nicht leitenden scharlachroten und grauen Faden, der zwischen die Silberdrähte gestickt ist, „um zu demonstrieren, dass E-Textilien sowohl dekorativ als auch funktional sein können“, sagte Kiourti.
Sie mögen dekorativ sein, aber die gestickten Antennen und Schaltkreise funktionieren tatsächlich. Tests zeigten, dass eine gestickte Spiralantenne, die ungefähr sechs Zoll Durchmesser misst, Signale bei Frequenzen von 1 bis 5 GHz mit nahezu perfekter Effizienz überträgt. Die Leistung legt nahe, dass die Spirale für Breitband-Internet und Mobilfunk gut geeignet wäre.
Mit anderen Worten, das Hemd auf Ihrem Rücken könnte dazu beitragen, den Empfang des Smartphones oder Tablets, das Sie in der Hand halten, zu verbessern – oder Signale mit Gesundheits- oder sportlichen Leistungsdaten an Ihre Geräte zu senden.
Die Arbeit passt gut zur Rolle des Staates Ohio als Gründungspartner des Advanced Functional Fabrics of America Institute, eines nationalen Ressourcenzentrums für Industrie und Regierung. Das neue Institut, das sich rund 50 Universitäten und Industriepartnern anschließt, wurde Anfang dieses Monats von US-Verteidigungsminister Ashton Carter angekündigt.
Syscom Advanced Materials in Columbus lieferte die Fäden, die in Volakis und Kiourtis ersten Arbeiten verwendet wurden. Die in dieser Studie verwendeten feineren Fäden wurden vom Schweizer Hersteller Elektrisola bezogen. Die Forschung wird von der National Science Foundation finanziert, und der Bundesstaat Ohio wird die Technologie für die weitere Entwicklung lizenzieren.
Bis dahin erstellt Volakis eine Einkaufsliste für die nächste Phase des Projekts.
„Wir wollen eine größere Nähmaschine“, sagte er.