COLUMBUS, Ohio-Forskere som jobber med å utvikle bærbar elektronikk har nådd en milepæl: De er i stand til å brodere kretser i stoff med 0,1 mm presisjon-den perfekte størrelsen for å integrere elektroniske komponenter som sensorer og dataminneenheter i klær.
Med Dette fremskrittet Har Ohio State University forskere tatt neste skritt mot utformingen av funksjonelle tekstiler-klær som samler, lagrer eller overfører digital informasjon. Med videreutvikling kan teknologien føre til skjorter som fungerer som antenner for smarttelefonen eller nettbrettet, treningsklær som overvåker treningsnivået ditt, sportsutstyr som overvåker utøvernes ytelse, en bandasje som forteller legen din hvor godt vevet under det er helbredende—eller til og med en fleksibel stoffhette som sanser aktivitet i hjernen.
Asimina Kiourti. Bilde Av Jo McCulty, høflighet
Av Ohio State University.
det siste elementet er En Som John Volakis, direktør For ElectroScience Laboratory Ved Ohio State, og forsker Asimina Kiourti undersøker. Tanken er å gjøre hjerneimplantater, som er under utvikling for å behandle forhold fra epilepsi til avhengighet, mer komfortable ved å eliminere behovet for ekstern ledning på pasientens kropp.
» en revolusjon skjer i tekstilindustrien, » Sa Volakis ,som også Er Roy & Lois Chope Chair Professor I Elektroteknikk Ved Ohio State. «Vi tror at funksjonelle tekstiler er en mulig teknologi for kommunikasjon og sensing-og en dag til og med medisinske applikasjoner som bildebehandling og helseovervåking.»
nylig, han og Kiourti raffinert sin patenterte fabrikasjon metode for å lage prototype wearables til en brøkdel av prisen og på halve tiden som de kunne bare to år siden. Med nye patenter i påvente, publiserte de de nye resultatene i tidsskriftet Ieee Antenner og Wireless Propagation Letters.
John Volakis
I Volakis ‘ lab, de funksjonelle tekstiler, også kalt «e-tekstiler,» er laget delvis på en typisk tabletop symaskin-den typen som stoff håndverkere og amatører kan ha hjemme. Som andre moderne symaskiner broderer den tråden i stoff automatisk basert på et mønster lastet via en datafil. Forskerne erstatte tråden med fine sølv metall ledninger som, når brodert, føler det samme som tradisjonell tråd å ta på.
» Vi startet med en teknologi som er veldig kjent-maskinbroderi-og vi spurte, hvordan kan vi funksjonalisere broderte former? Hvordan får vi dem til å sende signaler på nyttige frekvenser, som for mobiltelefoner eller helsesensorer?»Volakis sa. «Nå, for første gang, har vi oppnådd nøyaktigheten av trykte metall kretskort, så vårt nye mål er å dra nytte av presisjonen for å innlemme mottakere og andre elektroniske komponenter.»
formen på broderiet bestemmer frekvensen av driften av antennen eller kretsen, forklarte Kiourti.
formen på en bredbåndsantenne består for eksempel av mer enn et halvt dusin sammenlåsende geometriske former, hver litt større enn en negl, som danner en intrikat sirkel noen få inches over. Hver del av sirkelen overfører energi med en annen frekvens, slik at de dekker et bredt spekter av energier når de arbeider sammen-dermed» bredbånds » – evnen til antennen for mobiltelefon og internett-tilgang.
«Form bestemmer funksjon,» sa hun. «Og du vet aldri hvilken form du trenger fra ett program til det neste. Så vi ønsket å ha en teknologi som kunne brodere enhver form for enhver applikasjon.»
forskernes opprinnelige mål, Kiourti lagt til, var bare for å øke presisjonen av broderiet så mye som mulig, noe som nødvendiggjorde å jobbe med fin sølvtråd. Men det skapte et problem, fordi fine ledninger ikke kunne gi så mye overflateledningsevne som tykke ledninger. Så de måtte finne en måte å jobbe den fine tråden på i broderitettheter og former som ville øke overflateledningsevnen og dermed antennen / sensorytelsen.
tidligere hadde forskerne brukt sølvbelagt polymertråd med en diameter på 0,5 mm, hver tråd består av 600 enda finere filamenter vridd sammen. De nye trådene har en diameter på 0,1 mm, laget med bare syv filamenter. Hver filament er kobber i midten, emaljert med rent sølv.
de kjøper ledningen av spolen til en pris på 3 cent per fot; Kiourti anslått at brodering av en enkelt bredbåndsantenne som den som er nevnt ovenfor, bruker omtrent 10 fot tråd, for en materialkostnad på rundt 30 cent per antenne. Det er 24 ganger billigere enn Da Volakis og Kiourti opprettet lignende antenner i 2014.
delvis kommer kostnadsbesparelsene fra å bruke mindre tråd per broderi. Forskerne måtte tidligere stable den tykkere tråden i to lag, den ene på toppen av den andre, for å få antennen til å bære et sterkt nok elektrisk signal. Men ved å raffinere teknikken som Hun og Volakis utviklet, Kunne Kiourti lage de nye høypresisjonsantennene i bare ett brodert lag av den finere tråden. Så nå tar prosessen halvparten av tiden: bare ca 15 minutter for bredbåndsantennen nevnt ovenfor.
Hun har også innarbeidet noen teknikker som er felles for mikroelektronikkproduksjon for å legge til deler til broderte antenner og kretser.
en prototype antenne ser ut som en spiral og kan broderes i klær for å forbedre mobiltelefonsignalmottak. En annen prototype, en strekkbar antenne med en integrert RFID-chip (radiofrekvensidentifikasjon) innebygd i gummi, tar applikasjonene for teknologien utover klær. (Sistnevnte objekt var en del av en studie gjort for en dekkprodusent.)
Enda en krets ligner Ohio State Block » O «- logoen, med ikke-ledende skarlet og grå tråd brodert blant sølvtrådene «for å demonstrere at e-tekstiler kan være både dekorative og funksjonelle,» Sa Kiourti.
de kan være dekorative, men de broderte antennene og kretsene fungerer faktisk. Tester viste at en brodert spiralantenne måler omtrent seks tommer over overførte signaler ved frekvenser på 1 til 5 GHz med nesten perfekt effektivitet. Ytelsen antyder at spiralen vil være godt egnet til bredbånds internett og mobilkommunikasjon.
med andre ord kan skjorten på ryggen bidra til å øke mottaket av smarttelefonen eller nettbrettet du holder-eller sende signaler til enhetene dine med helse-eller atletisk ytelsesdata.
arbeidet passer godt Med Ohio State rolle som en av grunnleggerne av Advanced Functional Fabrics Of America Institute, en nasjonal produksjon ressurssenter for industri og myndigheter. Det nye instituttet, som går sammen med rundt 50 universiteter og industripartnere, ble annonsert tidligere denne måneden Av USAS Forsvarsminister Ashton Carter.
Syscom Advanced Materials i Columbus ga trådene som Ble brukt I Volakis og Kiourtis første arbeid. De finere trådene som ble brukt i denne studien ble kjøpt fra Den Sveitsiske produsenten Elektrisola. Forskningen er finansiert Av National Science Foundation, Og Ohio State vil lisensiere teknologien for videre utvikling.
Inntil Da Lager Volakis en handleliste for neste fase av prosjektet.
«Vi vil ha en større symaskin,» sa han.