COLUMBUS, Ohio—Ricercatori che stanno lavorando per sviluppare l’elettronica indossabile hanno raggiunto una pietra miliare: Essi sono in grado di ricamare circuiti in tessuto con 0,1 mm precisione la dimensione ideale per integrare componenti elettronici come sensori e computer dispositivi di memoria in abbigliamento.
Con questo progresso, i ricercatori della Ohio State University hanno compiuto il passo successivo verso la progettazione di tessuti funzionali—vestiti che raccolgono, memorizzano o trasmettono informazioni digitali. Con un ulteriore sviluppo, la tecnologia potrebbe portare a camicie che fungono da antenne per il tuo smartphone o tablet, vestiti da allenamento che monitorano il tuo livello di forma fisica, attrezzature sportive che monitorano le prestazioni degli atleti, una benda che dice al medico quanto bene il tessuto sottostante sta guarendo—o anche un cappuccio in tessuto flessibile che rileva l’attività
Asimina Kiourti. Foto di Jo McCulty, per gentile concessione
della Ohio State University.
Quest’ultimo elemento è quello che John Volakis, direttore del Laboratorio di ElettroScienza dell’Ohio State, e la ricercatrice Asimina Kiourti stanno indagando. L’idea è di rendere più confortevoli gli impianti cerebrali, che sono in fase di sviluppo per trattare le condizioni dall’epilessia alla dipendenza, eliminando la necessità di cablaggi esterni sul corpo del paziente.
“Una rivoluzione sta accadendo nel settore tessile,” ha detto Volakis, che è anche il Roy & Lois Chope Sedia Professore di Ingegneria elettrica presso Ohio State. “Crediamo che i tessuti funzionali siano una tecnologia abilitante per le comunicazioni e il rilevamento-e un giorno anche applicazioni mediche come l’imaging e il monitoraggio della salute.”
Recentemente, lui e Kiourti hanno perfezionato il loro metodo di fabbricazione brevettato per creare prototipi indossabili ad una frazione del costo e nella metà del tempo come potevano solo due anni fa. Con nuovi brevetti in sospeso, hanno pubblicato i nuovi risultati sulla rivista IEEE Antenne e lettere di propagazione wireless.
John Volakis
Nel laboratorio di Volakis, i tessuti funzionali, chiamati anche “e-textiles”, vengono creati in parte su una tipica macchina da cucire da tavolo, il tipo che gli artigiani del tessuto e gli hobbisti potrebbero avere a casa. Come altre macchine da cucire moderne, ricama filo in tessuto automaticamente sulla base di un modello caricato tramite un file di computer. I ricercatori sostituiscono il filo con sottili fili metallici argentati che, una volta ricamati, si sentono uguali al filo tradizionale al tatto.
” Siamo partiti da una tecnologia molto conosciuta-il ricamo a macchina-e ci siamo chiesti: come funzionalizzare le forme ricamate? Come facciamo a farli trasmettere segnali a frequenze utili, come per i telefoni cellulari o sensori di salute?”Ha detto Volakis. “Ora, per la prima volta, abbiamo raggiunto la precisione dei circuiti stampati in metallo, quindi il nostro nuovo obiettivo è sfruttare la precisione per incorporare ricevitori e altri componenti elettronici.”
La forma del ricamo determina la frequenza di funzionamento dell’antenna o del circuito, ha spiegato Kiourti.
La forma di un’antenna a banda larga, ad esempio, consiste in più di una mezza dozzina di forme geometriche ad incastro, ciascuna un po ‘ più grande di un’unghia, che formano un intricato cerchio di pochi centimetri. Ogni pezzo del cerchio trasmette energia a una frequenza diversa, in modo che coprano un ampio spettro di energie quando lavorano insieme—da qui la capacità “a banda larga” dell’antenna per il telefono cellulare e l’accesso a Internet.
“La forma determina la funzione”, ha detto. “E non sai mai veramente quale forma avrai bisogno da un’applicazione all’altra. Quindi volevamo avere una tecnologia che potesse ricamare qualsiasi forma per qualsiasi applicazione.”
L’obiettivo iniziale dei ricercatori, ha aggiunto Kiourti, era solo quello di aumentare la precisione del ricamo il più possibile, il che richiedeva di lavorare con filo d’argento fine. Ma questo ha creato un problema, in quanto i fili sottili non potevano fornire la stessa conduttività superficiale dei fili spessi. Quindi hanno dovuto trovare un modo per lavorare il filo sottile in densità e forme del ricamo che aumentassero la conduttività superficiale e, quindi, le prestazioni dell’antenna/sensore.
In precedenza, i ricercatori avevano usato filo polimerico rivestito d’argento con un diametro di 0,5 mm, ogni filo composto da 600 filamenti ancora più fini intrecciati insieme. I nuovi fili hanno un diametro di 0,1 mm, realizzati con soli sette filamenti. Ogni filamento è di rame al centro, smaltato con argento puro.
Acquistano il filo dalla bobina ad un costo di 3 centesimi per piede; Kiourti ha stimato che ricamare una singola antenna a banda larga come quella sopra menzionata consuma circa 10 piedi di filo, per un costo del materiale di circa 30 centesimi per antenna. Questo è 24 volte meno costoso di quando Volakis e Kiourti hanno creato antenne simili nel 2014.
In parte, il risparmio sui costi deriva dall’utilizzo di meno filo per ricamo. I ricercatori in precedenza dovevano impilare il filo più spesso in due strati, uno sopra l’altro, per rendere l’antenna trasportare un segnale elettrico abbastanza forte. Ma perfezionando la tecnica sviluppata da lei e Volakis, Kiourti è stata in grado di creare le nuove antenne ad alta precisione in un solo strato ricamato del filo più fine. Quindi ora il processo richiede metà del tempo: solo circa 15 minuti per l’antenna a banda larga di cui sopra.
Ha anche incorporato alcune tecniche comuni alla produzione di microelettronica per aggiungere parti alle antenne e ai circuiti ricamati.
Un prototipo di antenna si presenta come una spirale e può essere ricamato in abbigliamento per migliorare la ricezione del segnale del telefono cellulare. Un altro prototipo, un’antenna estensibile con un chip RFID (radio-frequency identification) integrato in gomma, porta le applicazioni per la tecnologia oltre l’abbigliamento. (Quest’ultimo oggetto faceva parte di uno studio fatto per un produttore di pneumatici.)
Ancora un altro circuito assomiglia al logo Ohio State Block “O”, con filo scarlatto e grigio non conduttivo ricamato tra i fili d’argento “per dimostrare che i tessuti elettronici possono essere sia decorativi che funzionali”, ha detto Kiourti.
Possono essere decorativi, ma le antenne e i circuiti ricamati funzionano davvero. I test hanno dimostrato che un’antenna ricamata a spirale misura circa sei pollici attraverso segnali trasmessi a frequenze da 1 a 5 GHz con efficienza quasi perfetta. La performance suggerisce che la spirale sarebbe ben si adatta a Internet a banda larga e la comunicazione cellulare.
In altre parole, la camicia sulla schiena potrebbe contribuire ad aumentare la ricezione del telefono intelligente o tablet che si sta tenendo – o inviare segnali ai dispositivi con dati di salute o prestazioni atletiche.
Il lavoro si adatta bene al ruolo dello Stato dell’Ohio come socio fondatore dell’Advanced Functional Fabrics of America Institute, un centro nazionale di risorse produttive per l’industria e il governo. Il nuovo istituto, che si unisce a circa 50 università e partner industriali, è stato annunciato all’inizio di questo mese dal segretario alla Difesa degli Stati Uniti Ashton Carter.
Syscom Advanced Materials in Columbus ha fornito i fili utilizzati nel lavoro iniziale di Volakis e Kiourti. I fili più fini utilizzati in questo studio sono stati acquistati dal produttore svizzero Elektrisola. La ricerca è finanziata dalla National Science Foundation, e Ohio State concederà in licenza la tecnologia per un ulteriore sviluppo.
Fino ad allora, Volakis sta compilando una lista della spesa per la prossima fase del progetto.
“Vogliamo una macchina da cucire più grande”, ha detto.