COLUMBUS, Ohio-onderzoekers die werken aan de ontwikkeling van draagbare elektronica hebben een mijlpaal bereikt: ze kunnen circuits borduren in stof met een nauwkeurigheid van 0,1 mm—de perfecte maat om elektronische componenten zoals sensoren en computergeheugenapparaten in kleding te integreren.
met deze vooruitgang hebben de onderzoekers van de Ohio State University de volgende stap gezet in de richting van het ontwerp van functioneel textiel—kleding die digitale informatie verzamelt, opslaat of doorgeeft. Met verdere ontwikkeling kan de technologie leiden tot overhemden die fungeren als antennes voor uw smartphone of tablet, trainingskleding die uw fitnessniveau bewaken, sportuitrusting die de prestaties van atleten bewaakt, een verband dat uw arts vertelt hoe goed het weefsel eronder geneest—of zelfs een flexibele stofkap die activiteit in de hersenen detecteert.
Asimina Kiourti. Foto door Jo McCulty, met dank aan
van de Ohio State University.
dit laatste item is een dat John Volakis, directeur van het ElectroScience Laboratory in Ohio State, en onderzoekswetenschapper Asimina Kiourti onderzoeken. Het idee is om hersenimplantaten, die in ontwikkeling zijn om aandoeningen van epilepsie tot verslaving te behandelen, comfortabeler te maken door de noodzaak van externe bedrading op het lichaam van de patiënt te elimineren.”Een revolutie is gaande in de textielindustrie,” zei Volakis, die ook de Roy & Lois Chope Chair Professor of Electrical Engineering aan Ohio State is. “Wij geloven dat functioneel textiel een technologie is die communicatie en sensing mogelijk maakt—en op een dag zelfs medische toepassingen zoals beeldvorming en gezondheidsmonitoring.”
onlangs hebben hij en Kiourti hun gepatenteerde fabricagemethode verfijnd om prototype wearables te maken tegen een fractie van de kosten en in de helft van de tijd, zoals ze slechts twee jaar geleden konden. Met nieuwe patenten in behandeling, publiceerden ze de nieuwe resultaten in het tijdschrift IEEE antennes en Wireless Propagation Letters.
John Volakis
in Volakis’ lab wordt het functionele textiel, ook wel “e-textiles” genoemd, gedeeltelijk gemaakt op een typische naaimachine voor tafelbladen—het soort dat ambachtslieden en hobbyisten thuis zouden kunnen hebben. Net als andere moderne naaimachines borduurt het draad automatisch in stof op basis van een patroon dat via een computerbestand wordt geladen. De onderzoekers vervangen de draad door fijne zilveren metalen draden die, eenmaal geborduurd, hetzelfde aanvoelen als traditionele draad.
” we zijn begonnen met een zeer bekende technologie—machine borduren—en we vroegen ons af, hoe kunnen we geborduurde vormen functionaliseren? Hoe laten we ze signalen verzenden op nuttige frequenties, zoals voor mobiele telefoons of gezondheidssensoren?”Zei Volakis. “Nu hebben we voor het eerst de nauwkeurigheid van gedrukte metalen printplaten bereikt, dus ons nieuwe doel is om gebruik te maken van de precisie om ontvangers en andere elektronische componenten te integreren.”
de vorm van het borduurwerk bepaalt de frequentie van de werking van de antenne of het circuit, aldus Kiourti.
de vorm van een breedbandantenne bestaat bijvoorbeeld uit meer dan een half dozijn in elkaar grijpende geometrische vormen, elk iets groter dan een vingernagel, die een ingewikkelde cirkel van enkele centimeters vormen. Elk stuk van de cirkel zendt energie uit op een andere frequentie, zodat ze een breed spectrum van energieën bestrijken wanneer ze samenwerken—vandaar de “breedband” capaciteit van de antenne voor mobiele telefoon en internettoegang.
“vorm bepaalt functie,” zei ze. “En je weet nooit echt welke vorm je nodig hebt van de ene toepassing naar de andere. We wilden een technologie die elke vorm kon borduren voor elke toepassing.”
het oorspronkelijke doel van de onderzoekers, voegde Kiourti eraan toe, was om de precisie van het borduurwerk zoveel mogelijk te vergroten, wat het werken met fijn zilverdraad noodzakelijk maakte. Maar dat veroorzaakte een probleem, omdat fijne draden niet zoveel oppervlakgeleiding konden bieden als dikke draden. Dus moesten ze een manier vinden om de fijne draad te verwerken tot borduurdichtheden en vormen die de oppervlakgeleiding en dus de antenne/sensorprestaties zouden verbeteren.
voorheen hadden de onderzoekers zilvergecoat polymeerdraad met een diameter van 0,5 mm gebruikt, waarbij elke draad bestond uit 600 nog fijnere filamenten die aan elkaar zijn gedraaid. De nieuwe draden hebben een diameter van 0,1 mm, gemaakt met slechts zeven filamenten. Elk filament is koper in het midden, geëmailleerd met puur zilver. Zij kopen de draad per spoel voor een prijs van 3 cent per voet; Kiourti schat dat het borduren van een enkele breedbandantenne, zoals hierboven vermeld, ongeveer 3 voet draad verbruikt, voor een materiaalkost van ongeveer 30 cent per antenne. Dat is 24 keer goedkoper dan toen Volakis en Kiourti creëerde soortgelijke antennes in 2014.
de kostenbesparing wordt gedeeltelijk veroorzaakt door het gebruik van minder draad per borduurwerk. De onderzoekers moesten eerder de dikkere draad stapelen in twee lagen, de ene op de andere, om de antenne een sterk genoeg elektrisch signaal te laten dragen. Maar door de techniek die zij en Volakis ontwikkelden te verfijnen, was Kiourti in staat om de nieuwe, zeer nauwkeurige antennes te creëren in slechts één geborduurde laag van de fijnere draad. Dus nu duurt het proces de helft van de tijd: slechts ongeveer 15 minuten voor de breedbandantenne hierboven vermeld.
ze heeft ook een aantal technieken gebruikt voor de productie van micro-elektronica om onderdelen toe te voegen aan Geborduurde antennes en circuits.
een prototype-antenne lijkt op een spiraal en kan worden geborduurd in kleding om de ontvangst van mobiele telefoonsignalen te verbeteren. Een ander prototype, een rekbare antenne met een geïntegreerde RFID-chip (radio-frequency identification) ingebed in rubber, neemt de toepassingen voor de technologie verder dan kleding. (Het Laatste object maakte deel uit van een studie gedaan voor een bandenfabrikant.)
nog een ander circuit lijkt op het Ohio State Block” O “logo, met niet-geleidende scharlaken en grijze draad geborduurd tussen de zilveren draden” om aan te tonen dat e-textiles zowel decoratief als functioneel kan zijn, ” zei Kiourti. Ze kunnen decoratief zijn, maar de geborduurde antennes en circuits werken ook. Tests toonden aan dat een geborduurde spiraalantenne die ongeveer zes inch meet over uitgezonden signalen bij frequenties van 1 tot 5 GHz met bijna perfecte efficiëntie. De prestaties wijzen erop dat de spiraal zeer geschikt zou zijn voor breedbandinternet en cellulaire communicatie.
met andere woorden, het shirt op uw rug zou de ontvangst van de smartphone of tablet die u vasthoudt kunnen verbeteren – of signalen naar uw apparaten kunnen sturen met gegevens over gezondheid of atletische prestaties.Het werk sluit goed aan bij de rol van Ohio State als medeoprichter van het Advanced Functional Fabrics of America Institute, een nationaal manufacturing resource center voor Industrie en overheid. Het nieuwe instituut, dat zich aansluit bij zo ‘ n 50 universiteiten en industriële partners, werd eerder deze maand aangekondigd door de Amerikaanse minister van Defensie Ashton Carter.Syscom Advanced Materials in Columbus leverde de draden die gebruikt werden in Volakis en Kiourti ‘ s eerste werk. De fijnere draden die in dit onderzoek werden gebruikt, werden gekocht bij de Zwitserse fabrikant Elektrisola. Het onderzoek wordt gefinancierd door de National Science Foundation en Ohio State zal de technologie in licentie geven voor verdere ontwikkeling.
tot dan maakt Volakis een boodschappenlijstje voor de volgende fase van het project.
“We willen een grotere naaimachine,” zei hij.