COLUMBUS, Ohio-tutkijat, jotka työskentelevät puettavan elektroniikan kehittämiseksi, ovat saavuttaneet virstanpylvään: he pystyvät kirjomaan piirejä kankaaseen 0,1 mm: n tarkkuudella—täydellinen koko elektronisten komponenttien, kuten antureiden ja tietokoneiden muistilaitteiden, integroimiseksi vaatteisiin.
Ohion osavaltionyliopiston tutkijat ovat tämän edistysaskeleen myötä ottaneet seuraavan askeleen kohti toiminnallisten Tekstiilien suunnittelua – vaatteita, jotka keräävät, tallentavat tai välittävät digitaalista tietoa. Jatkokehityksen myötä teknologia voi johtaa älypuhelimesi tai tablettisi antenneina toimiviin paitoihin, kuntotasoasi tarkkaileviin treenivaatteisiin, urheiluvälineisiin, jotka tarkkailevat urheilijoiden suorituksia, siteeseen, joka kertoo lääkärillesi, kuinka hyvin sen alla oleva kudos paranee—tai jopa joustavaan kangasmyssyyn, joka aistii aivojen toimintaa.
Asimina Kiourti. Kuva: jo McCulty, courtesy
of the Ohio State University.
tuo viimeinen kohta on sellainen, jota Ohion osavaltion ElectroScience-laboratorion johtaja John Volakis ja tutkija Asimina Kiourti tutkivat. Ajatuksena on tehdä aivoimplantit, jotka ovat kehitteillä epilepsiasta riippuvuuteen ulottuvien sairauksien hoitoon, mukavammiksi poistamalla ulkoisen johdotuksen tarve potilaan kehossa.
”tekstiiliteollisuudessa on tapahtumassa vallankumous”, sanoi Volakis, joka on myös Ohion osavaltion sähkötekniikan professori Roy & Lois Chope. ”Uskomme, että funktionaaliset tekstiilit ovat mahdollistava teknologia viestintään ja aistimiseen—ja jonain päivänä jopa lääketieteellisiin sovelluksiin, kuten kuvantamiseen ja terveyden seurantaan.”
äskettäin hän ja Kiurti hioivat patentoitua valmistusmenetelmäänsä luodakseen prototyypin wearables murto-osalla kustannuksista ja puolessa ajassa kuin he pystyivät vain kaksi vuotta sitten. Uusien patenttien ollessa vireillä he julkaisivat uudet tulokset IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters-lehdessä.
John Volakis
volakisin laboratoriossa funktionaaliset tekstiilit, joita kutsutaan myös ”e-tekstiileiksi”, syntyvät osittain tyypillisellä pöytäompelukoneella—jollaisia Kangasalan käsityöläisillä ja harrastajilla saattaa olla kotona. Kuten muutkin nykyaikaiset Ompelukoneet, se kirjoo langat kankaaseen automaattisesti tietokonetiedoston kautta ladatun kuvion perusteella. Tutkijat korvaavat langan hienoilla hopeametallilangoilla, jotka kirjailtuna tuntuvat kosketuksessa samalta kuin perinteinen Lanka.
” aloitimme hyvin tunnetulla tekniikalla-konekirjonnalla-ja kysyimme, miten voimme funktionalisoida kirjaillut muodot? Miten saamme ne lähettämään signaaleja hyödyllisillä taajuuksilla, kuten kännyköissä tai terveysantureissa?”Volakis sanoi. ”Nyt olemme ensimmäistä kertaa saavuttaneet painettujen metallipiirilevyjen tarkkuuden, joten Uusi tavoitteemme on hyödyntää tarkkuutta vastaanottimien ja muiden elektronisten komponenttien sisällyttämiseksi.”
Kirjonnan muoto määrää antennin tai piirin toimintataajuuden, selitti Kiourti.
esimerkiksi yhden laajakaistaantennin muoto koostuu yli puolesta tusinasta toisiinsa kytkeytyvästä geometrisesta muodosta, joista jokainen on hieman kynnen kokoinen ja muodostaa muutaman sentin läpimittaisen monimutkaisen ympyrän. Jokainen pala ympyrän lähettää energiaa eri taajuudella, niin että ne kattavat laajan kirjon energiaa työskennellessään yhdessä—siksi ”laajakaista” kyky antennin Matkapuhelin ja internet-yhteys.
”muoto määrää funktion”, hän sanoi. ”Koskaan ei oikein tiedä, millaisen muodon hakemuksesta toiseen tarvitsee. Halusimme teknologian, jolla voi kirjoa minkä tahansa muodon mihin tahansa sovellukseen.”
tutkijoiden alkuperäinen tavoite oli Kiurtin mukaan vain lisätä Kirjonnan tarkkuutta mahdollisimman paljon, mikä edellytti hienolla hopealangalla työskentelyä. Mutta se aiheutti ongelman, koska hienot johdot eivät pystyneet tarjoamaan yhtä paljon pinnan johtavuutta kuin paksut johdot. Joten heidän oli löydettävä tapa työstää hieno lanka kirjontatiheyksiksi ja muodoiksi, jotka parantaisivat pinnan johtavuutta ja siten antennin/anturin suorituskykyä.
aiemmin tutkijat olivat käyttäneet hopeapäällysteistä polymeerilankaa, jonka läpimitta oli 0,5 mm ja jokainen säie koostui 600 vielä hienommasta yhteen kierretystä filamentista. Uudet langat ovat halkaisijaltaan 0,1 mm, ja niitä on valmistettu vain seitsemästä rihmasta. Jokainen hehkulanka on kuparia keskellä, emaloitu puhtaalla hopealla.
he ostavat langan kelalla hintaan 3 senttiä per jalka; Kiourti arvioi, että edellä mainitun kaltaisen yhden laajakaistaantennin kirjominen kuluttaa noin 10 jalkaa lankaa, materiaalikustannuksilla noin 30 senttiä per antenni. Se on 24 kertaa halvempaa kuin silloin, kun Volakis ja Kiurti loivat samanlaiset antennit vuonna 2014.
kustannussäästöt tulevat osittain siitä, että kirjontaa kohden käytetään vähemmän lankaa. Tutkijat joutuivat aiemmin pinoamaan paksumman langan kahteen kerrokseen, toinen päällekkäin, jotta antenni kantaisi tarpeeksi vahvaa sähkösignaalia. Mutta jalostamalla hänen ja Volakisin kehittämää tekniikkaa Kiourti pystyi luomaan uudet, korkean tarkkuuden antennit vain yhteen kirjottuun kerrokseen hienompaa lankaa. Joten nyt prosessi vie puolet ajasta: vain noin 15 minuuttia laajakaistaantennin edellä.
hän on myös sisällyttänyt joitakin mikroelektroniikan valmistukselle yhteisiä tekniikoita, joilla voidaan lisätä osia kirjoitettuihin antenneihin ja piireihin.
yksi prototyyppiantenni näyttää spiraalilta, ja sen voi kirjailla vaatteisiin kännykän signaalin kuuluvuuden parantamiseksi. Toinen prototyyppi, venyvä antenni, jossa on integroitu RFID (radiotaajuustunnistus) siru, joka on upotettu kumiin, vie teknologian sovellukset vaatetuksen ulkopuolelle. (Jälkimmäinen esine oli osa rengasvalmistajalle tehtyä tutkimusta.)
vielä yksi piiri muistuttaa Ohio State Blockin” O ”-logoa, jossa hopealankojen sekaan on kirjailtu johtamatonta tulipunaista ja harmaata lankaa” osoittamaan, että e-tekstiilit voivat olla sekä koristeellisia että toimivia”, Kiourti sanoi.
ne voivat olla koristeellisia, mutta kirjaillut antennit ja piirit todella toimivat. Testit osoittivat, että brodeerattu spiraaliantenni, joka mittaa noin kuusi tuumaa yli lähetettyjen signaalien taajuuksilla 1-5 GHz ja lähes täydellinen tehokkuus. Esityksen mukaan kierre sopisi hyvin laajakaista-Internetiin ja soluviestintään.
toisin sanoen selässäsi oleva paita voisi auttaa lisäämään kädessäsi olevan älypuhelimen tai tabletin vastaanottoa – tai lähettämään laitteellesi signaaleja terveys-tai urheilusuoritustietojen kanssa.
teos sopii hyvin Ohio Staten rooliin teollisuuden ja hallinnon kansallisen manufacturing resource Centerin Advanced Functional Fabrics of America Instituten perustajana. Uudesta instituutista, johon liittyy noin 50 yliopistoa ja teollisuuskumppania, ilmoitti aiemmin tässä kuussa Yhdysvaltain puolustusministeri Ashton Carter.
SYSCOM Advanced Materials in Columbus toimitti volakisin ja Kiurtin alkuteoksissa käytetyt langat. Tutkimuksessa käytetyt hienommat langat ostettiin Sveitsiläisvalmistaja Elektrisolalta. Tutkimusta rahoittaa National Science Foundation, ja Ohio State lisensoi teknologian jatkokehitystä varten.
siihen asti Volakis laatii ostoslistaa projektin seuraavaa vaihetta varten.
”haluamme isomman ompelukoneen”, hän sanoi.