COLUMBUS, Ohio—a hordható elektronika fejlesztésén dolgozó kutatók mérföldkőhöz értek: képesek 0,1 mm—es pontossággal hímezni az áramköröket szövetbe-ez a tökéletes méret az elektronikus alkatrészek, például érzékelők és számítógépes memóriaeszközök ruházatba történő integrálásához.
ezzel az előrelépéssel az Ohio Állami Egyetem kutatói megtették a következő lépést a funkcionális textíliák—a digitális információkat gyűjtő, tároló vagy továbbító ruhák-tervezése felé. A további fejlesztéssel a technológia olyan ingekhez vezethet, amelyek antennaként szolgálnak az okostelefon vagy a táblagép számára, edzőruhák, amelyek figyelemmel kísérik a fitnesz szintjét, sporteszközök, amelyek figyelik a sportolók teljesítményét, kötés, amely elmondja orvosának, hogy az alatta lévő szövet mennyire gyógyul—vagy akár egy rugalmas szövet sapka, amely érzékeli az agyi aktivitást.
Aszimina Kiourti. Fotó: Jo McCulty, az Ohio Állami Egyetem
jóvoltából.
az utolsó tétel az, amelyet John Volakis, az Ohio állam Elektroscience Laboratóriumának igazgatója és Asimina Kiourti kutató tudós vizsgál. Az ötlet az, hogy az agyi implantátumokat, amelyek fejlesztés alatt állnak az epilepsziától a függőségig terjedő állapotok kezelésére, kényelmesebbé tegyék azáltal, hogy kiküszöbölik a beteg testén a külső vezetékek szükségességét.
“forradalom zajlik a textiliparban” – mondta Volakis, aki egyben Roy & Lois Chope, az Ohio állam Villamosmérnöki Tanszékének professzora. “Hisszük, hogy a funkcionális textíliák lehetővé teszik a kommunikációt és az érzékelést—és egy nap még az olyan orvosi alkalmazásokat is, mint a képalkotás és az egészségfigyelés.”
nemrégiben ő és Kiourti finomították szabadalmaztatott gyártási módszerüket, hogy prototípusokat készítsenek a költségek töredékéért és feleannyi idő alatt, mint csak két évvel ezelőtt. Az új szabadalmak függőben vannak, az új eredményeket az IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters folyóiratban tették közzé.
John Volakis
Volakis laboratóriumában a funkcionális textíliákat, más néven “e-textíliákat” részben egy tipikus asztali varrógépen hozzák létre—olyan, mint amilyenek a szövetművészek és a hobbisták otthon lehetnek. Mint más modern varrógépek, automatikusan hímzi a szálat a szövetbe egy számítógépes fájlon keresztül betöltött minta alapján. A kutatók a szálat finom ezüst fémhuzalokkal helyettesítik, amelyek hímzés után ugyanúgy érzik magukat, mint a hagyományos szál.
“egy nagyon jól ismert technológiával—gépi hímzéssel—kezdtük, és megkérdeztük, hogyan lehet A hímzett formákat funkcionalizálni? Hogyan tudjuk rávenni őket, hogy hasznos frekvenciákon továbbítsák a jeleket, például mobiltelefonokhoz vagy egészségügyi érzékelőkhöz?”Volakis mondta. “Most először elértük a nyomtatott fém áramköri lapok pontosságát, így új célunk az, hogy kihasználjuk a pontosság előnyeit a vevők és más elektronikus alkatrészek beépítéséhez.”
a hímzés alakja határozza meg az antenna vagy az áramkör működési gyakoriságát-magyarázta Kiourti.
egy szélessávú antenna alakja például több mint fél tucat egymásba illeszkedő geometriai alakzatból áll, amelyek mindegyike kissé nagyobb, mint egy köröm, amelyek néhány hüvelyk átmérőjű bonyolult kört alkotnak. A kör minden egyes darabja különböző frekvencián továbbítja az energiát, így az energiák széles spektrumát fedik le, amikor együtt dolgoznak—ezért az antenna” szélessávú ” képessége a mobiltelefon és az internet eléréséhez.
“az alak határozza meg a funkciót” – mondta. “És soha nem tudhatod, hogy milyen formára lesz szükséged az egyik alkalmazásból a másikba. Tehát olyan technológiát szerettünk volna, amely bármilyen formát hímezhet bármilyen alkalmazáshoz.”
a kutatók kezdeti célja-tette hozzá Kiourti-az volt, hogy a hímzés pontosságát a lehető legnagyobb mértékben növeljék, ami finom ezüsthuzal használatát tette szükségessé. De ez problémát okozott, mivel a finom vezetékek nem tudtak annyi felületi vezetőképességet biztosítani, mint a vastag vezetékek. Tehát meg kellett találniuk a módját, hogy a finom szálat hímzési sűrűségekké és formákká dolgozzák, ami növeli a felületi vezetőképességet és így az antenna/érzékelő teljesítményét.
korábban a kutatók 0,5 mm átmérőjű Ezüst bevonatú polimer szálat használtak,mindegyik szál 600 még finomabb szálból állt össze. Az új szálak 0,1 mm átmérőjűek, csak hét szálból készülnek. Mindegyik izzószál közepén réz, tiszta ezüsttel zománcozva.
a huzalt orsón keresztül vásárolják meg, lábanként 3 cent költséggel; Kiourti becslése szerint egyetlen szélessávú antenna hímzése, mint a fent említett, körülbelül 10 láb szálat fogyaszt, antennánként körülbelül 30 cent anyagköltséggel. Ez 24-szer olcsóbb, mint amikor Volakis és Kiourti hasonló antennákat készített 2014-ben.
részben a költségmegtakarítás a hímzésenkénti kevesebb szál használatából származik. A kutatóknak korábban a vastagabb szálat két rétegben kellett egymásra rakniuk, hogy az antenna elég erős elektromos jelet hordozzon. De a Volakis által kifejlesztett technika finomításával Kiourti képes volt létrehozni az új, nagy pontosságú antennákat a finomabb szál egyetlen hímzett rétegében. Tehát most a folyamat fele időt vesz igénybe: csak körülbelül 15 perc a fent említett szélessávú antennához.
a mikroelektronika gyártásában is alkalmazott néhány technikát, hogy alkatrészeket adjon a hímzett antennákhoz és áramkörökhöz.
egy prototípus antenna úgy néz ki, mint egy spirál, és lehet hímzett ruhát, hogy javítsa a mobiltelefon jel vétel. Egy másik prototípus, a gumiba ágyazott integrált RFID (rádiófrekvenciás azonosító) chiprel ellátott nyújtható antenna a ruházaton túlmutató technológiai alkalmazásokat is igénybe veszi. (Ez utóbbi tárgy egy gumiabroncs-gyártó számára készített tanulmány része volt.
még egy áramkör hasonlít az Ohio State Block” O “logójára, az ezüst vezetékek között nem vezető skarlátvörös és szürke cérnával,” annak bizonyítására, hogy az e-textíliák dekoratívak és funkcionálisak is lehetnek ” -mondta Kiourti.
lehet, hogy dekoratívak, de a hímzett antennák és áramkörök valóban működnek. A tesztek azt mutatták, hogy egy hímzett spirálantenna körülbelül hat hüvelyk átmérőjű, 1-5 GHz-es frekvencián továbbított jeleket mutat, majdnem tökéletes hatékonysággal. A teljesítmény azt sugallja, hogy a spirál jól illeszkedik a szélessávú internethez és a mobil kommunikációhoz.
más szavakkal, a hátadon lévő ing elősegítheti az okostelefon vagy táblagép vételét, amelyet tartasz – vagy jeleket küldhet készülékeire egészségügyi vagy sportteljesítmény-adatokkal.
a munka jól illeszkedik Ohio állam szerepét alapító partnere az Advanced Functional Fabrics of America Institute, a nemzeti gyártási erőforrás központ az ipar és a kormány. Az új Intézetet, amely mintegy 50 Egyetemhez és ipari partnerhez csatlakozik, a hónap elején jelentette be Ashton Carter amerikai védelmi miniszter.
a Columbusi Syscom Advanced Materials biztosította a Volakis és Kiourti kezdeti munkáiban használt szálakat. A tanulmányban használt finomabb szálakat a svájci Elektrisola gyártótól vásárolták. A kutatást a Nemzeti Tudományos Alapítvány finanszírozza, Ohio állam pedig engedélyezi a technológia további fejlesztését.
addig Volakis bevásárló listát készít a projekt következő szakaszához.
“nagyobb varrógépet akarunk” – mondta.