COLUMBUS, Ohio — Les chercheurs qui travaillent au développement de l’électronique portable ont franchi une étape importante: ils sont capables de broder des circuits en tissu avec une précision de 0,1 mm — la taille parfaite pour intégrer des composants électroniques tels que des capteurs et des dispositifs de mémoire d’ordinateur dans les vêtements.
Avec cette avancée, les chercheurs de l’Université d’État de l’Ohio ont franchi une nouvelle étape vers la conception de textiles fonctionnels — des vêtements qui collectent, stockent ou transmettent des informations numériques. Avec le développement ultérieur, la technologie pourrait conduire à des chemises qui agissent comme des antennes pour votre téléphone intelligent ou votre tablette, des vêtements d’entraînement qui surveillent votre niveau de forme physique, des équipements sportifs qui surveillent les performances des athlètes, un bandage qui indique à votre médecin à quel point le tissu en dessous guérit — ou même un capuchon en tissu flexible qui détecte l’activité dans le cerveau.
Asimina Kiourti. Photo de Jo McCulty, gracieuseté
de l’Université d’État de l’Ohio.
Ce dernier élément est celui sur lequel John Volakis, directeur du Laboratoire d’ÉlectroScience de l’État de l’Ohio, et la chercheuse Asimina Kiourti étudient. L’idée est de rendre les implants cérébraux, en cours de développement pour traiter des affections allant de l’épilepsie à la dépendance, plus confortables en éliminant le besoin de câblage externe sur le corps du patient.
« Une révolution se produit dans l’industrie textile », a déclaré Volakis, qui est également professeur de génie électrique à la Chaire Roy & Lois Chope à l’Ohio State. « Nous pensons que les textiles fonctionnels sont une technologie habilitante pour les communications et la détection — et même un jour des applications médicales comme l’imagerie et la surveillance de la santé. »
Récemment, lui et Kiourti ont affiné leur méthode de fabrication brevetée pour créer des prototypes de wearables à une fraction du coût et en deux fois moins de temps qu’ils ne le pouvaient il y a seulement deux ans. Avec de nouveaux brevets en instance, ils ont publié les nouveaux résultats dans la revue IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters.
John Volakis
Dans le laboratoire de Volakis, les textiles fonctionnels, également appelés « textiles électroniques », sont créés en partie sur une machine à coudre de table typique — le genre que les artisans et les amateurs de tissus peuvent avoir à la maison. Comme les autres machines à coudre modernes, elle brode automatiquement le fil dans le tissu en fonction d’un motif chargé via un fichier informatique. Les chercheurs remplacent le fil par de fins fils métalliques argentés qui, une fois brodés, ressemblent au fil traditionnel au toucher.
» Nous avons commencé avec une technologie très connue — la broderie à la machine – et nous nous sommes demandé comment fonctionnaliser les formes brodées ? Comment leur faire transmettre des signaux à des fréquences utiles, comme pour les téléphones portables ou les capteurs de santé? » Dit Volakis. « Maintenant, pour la première fois, nous avons atteint la précision des cartes de circuits imprimés en métal, notre nouvel objectif est donc de tirer parti de la précision pour intégrer des récepteurs et d’autres composants électroniques. »
La forme de la broderie détermine la fréquence de fonctionnement de l’antenne ou du circuit, a expliqué Kiourti.
La forme d’une antenne à large bande, par exemple, consiste en plus d’une demi-douzaine de formes géométriques imbriquées, chacune un peu plus grande qu’un ongle, qui forment un cercle complexe de quelques pouces de diamètre. Chaque morceau du cercle transmet de l’énergie à une fréquence différente, de sorte qu’ils couvrent un large spectre d’énergies lorsqu’ils travaillent ensemble — d’où la capacité « large bande » de l’antenne pour l’accès au téléphone portable et à Internet.
« La forme détermine la fonction », a-t-elle dit. » Et vous ne savez jamais vraiment de quelle forme vous aurez besoin d’une application à l’autre. Nous voulions donc avoir une technologie capable de broder n’importe quelle forme pour n’importe quelle application. »
L’objectif initial des chercheurs, a ajouté Kiourti, était simplement d’augmenter autant que possible la précision de la broderie, ce qui nécessitait de travailler avec du fil d’argent fin. Mais cela a créé un problème, dans la mesure où les fils fins ne pouvaient pas fournir autant de conductivité de surface que les fils épais. Ils ont donc dû trouver un moyen de travailler le fil fin dans des densités et des formes de broderie qui augmenteraient la conductivité de la surface et, par conséquent, les performances de l’antenne / capteur.
Auparavant, les chercheurs avaient utilisé un fil de polymère revêtu d’argent d’un diamètre de 0,5 mm, chaque fil étant composé de 600 filaments encore plus fins torsadés ensemble. Les nouveaux fils ont un diamètre de 0,1 mm, fabriqués avec seulement sept filaments. Chaque filament est en cuivre au centre, émaillé d’argent pur.
Ils achètent le fil par la bobine au coût de 3 cents le pied; Kiourti estime que broder une seule antenne large bande comme celle mentionnée ci-dessus consomme environ 10 pieds de fil, pour un coût matériel d’environ 30 cents par antenne. C’est 24 fois moins cher que lorsque Volakis et Kiourti ont créé des antennes similaires en 2014.
En partie, les économies de coûts proviennent de l’utilisation de moins de fil par broderie. Les chercheurs devaient auparavant empiler le fil plus épais en deux couches, l’une sur l’autre, pour que l’antenne transmette un signal électrique suffisamment fort. Mais en affinant la technique qu’elle et Volakis ont développée, Kiourti a pu créer les nouvelles antennes de haute précision en une seule couche brodée du fil plus fin. Alors maintenant, le processus prend la moitié du temps: seulement environ 15 minutes pour l’antenne haut débit mentionnée ci-dessus.
Elle a également incorporé certaines techniques communes à la fabrication de la microélectronique pour ajouter des pièces aux antennes et aux circuits brodés.
Une antenne prototype ressemble à une spirale et peut être brodée dans des vêtements pour améliorer la réception du signal du téléphone portable. Un autre prototype, une antenne extensible avec une puce RFID intégrée (identification par radiofréquence) intégrée dans du caoutchouc, emmène les applications de la technologie au-delà des vêtements. (Ce dernier objet faisait partie d’une étude réalisée pour un fabricant de pneus.)
Un autre circuit ressemble au logo « O » du bloc Ohio State, avec un fil écarlate et gris non conducteur brodé parmi les fils d’argent « pour démontrer que les textiles électroniques peuvent être à la fois décoratifs et fonctionnels », a déclaré Kiourti.
Ils peuvent être décoratifs, mais les antennes et les circuits brodés fonctionnent réellement. Les tests ont montré qu’une antenne en spirale brodée mesurant environ six pouces de largeur de signaux transmis à des fréquences de 1 à 5 GHz avec une efficacité presque parfaite. La performance suggère que la spirale serait bien adaptée à l’Internet à large bande et à la communication cellulaire.
En d’autres termes, la chemise sur le dos pourrait aider à améliorer la réception du téléphone intelligent ou de la tablette que vous tenez – ou à envoyer des signaux à vos appareils avec des données sur la santé ou les performances sportives.
Le travail s’inscrit bien dans le rôle de l’État de l’Ohio en tant que partenaire fondateur de l’Institut Advanced Functional Fabrics of America, un centre national de ressources manufacturières pour l’industrie et le gouvernement. Le nouvel institut, qui rejoint quelque 50 universités et partenaires industriels, a été annoncé plus tôt ce mois-ci par le secrétaire américain à la Défense, Ashton Carter.
Les matériaux avancés de Syscom à Columbus ont fourni les fils utilisés dans les travaux initiaux de Volakis et Kiourti. Les fils les plus fins utilisés dans cette étude ont été achetés auprès du fabricant suisse Elektrisola. La recherche est financée par la National Science Foundation, et l’État de l’Ohio accordera une licence à la technologie pour un développement ultérieur.
D’ici là, Volakis établit une liste de courses pour la prochaine phase du projet.
« Nous voulons une machine à coudre plus grande », a-t-il déclaré.