COLUMBUS, Ohio—naukowcy, którzy pracują nad rozwojem elektroniki do noszenia, osiągnęli kamień milowy: są w stanie haftować obwody w tkaninie z dokładnością 0,1 mm—idealny rozmiar do zintegrowania elementów elektronicznych, takich jak czujniki i urządzenia pamięci komputerowej w odzieży.
dzięki temu postępowi naukowcy z Ohio State University zrobili kolejny krok w kierunku projektowania funkcjonalnych Tekstyliów—ubrań, które zbierają, przechowują lub przesyłają informacje cyfrowe. Wraz z dalszym rozwojem technologia może prowadzić do koszulek, które działają jak anteny smartfona lub tabletu, odzieży treningowej, która monitoruje poziom sprawności, sprzętu sportowego, który monitoruje wyniki sportowców, bandaż, który informuje lekarza, jak dobrze goją się tkanki pod nią—a nawet elastycznej czapki z tkaniny, która wyczuwa aktywność w mózgu.
Asimina Kiourti. Zdjęcie autorstwa Jo McCulty, dzięki uprzejmości
z Ohio State University.
ten ostatni element to ten, który bada John Volakis, dyrektor ElectroScience Laboratory w stanie Ohio i naukowiec Asimina Kiourti. Chodzi o to, aby implanty mózgu, które są w trakcie opracowywania w leczeniu chorób od padaczki do uzależnienia, były bardziej komfortowe, eliminując potrzebę zewnętrznego okablowania ciała pacjenta.
„rewolucja dzieje się w przemyśle tekstylnym”, powiedział Volakis, który jest również Royem & Lois Chope Chair profesorem Elektrotechniki w stanie Ohio. „Wierzymy, że funkcjonalne Tekstylia są technologią umożliwiającą komunikację i wykrywanie, a pewnego dnia nawet zastosowania medyczne, takie jak obrazowanie i monitorowanie stanu zdrowia.”
Ostatnio on i Kiourti udoskonalili opatentowaną metodę produkcji, aby stworzyć prototypowe urządzenia do noszenia za ułamek kosztów i połowę czasu, jak tylko dwa lata temu. W oczekiwaniu na nowe patenty, opublikowali nowe wyniki w czasopiśmie IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters.
John Volakis
w laboratorium Volakisa funkcjonalne Tekstylia, zwane również „e-tekstyliami”, powstają częściowo na typowej maszynie do szycia na stole—takiej, jaką rzemieślnicy tkanin i hobbyści mogą mieć w domu. Podobnie jak inne nowoczesne maszyny do szycia, haftuje nić w tkaninie automatycznie na podstawie wzoru załadowanego przez plik komputerowy. Naukowcy zastępują nić drobnymi srebrnymi metalowymi drutami, które po haftowaniu czują się w dotyku tak samo jak tradycyjne nici.
” zaczęliśmy od bardzo znanej technologii—haftu maszynowego—i zapytaliśmy, jak funkcjonalizować haftowane kształty? Jak sprawić, by przesyłały sygnały o użytecznych częstotliwościach, jak telefony komórkowe lub czujniki zdrowia?”Volakis powiedział. „Teraz, po raz pierwszy, osiągnęliśmy dokładność metalowych płytek drukowanych, więc naszym nowym celem jest wykorzystanie precyzji w celu włączenia odbiorników i innych elementów elektronicznych.”
kształt haftu określa częstotliwość pracy anteny lub obwodu, wyjaśnił Kiourti.
na przykład kształt jednej anteny Szerokopasmowej składa się z ponad pół tuzina zazębiających się geometrycznych kształtów, z których każdy jest nieco większy niż paznokieć, które tworzą zawiłe koło o szerokości kilku cali. Każdy fragment okręgu transmituje energię z inną częstotliwością, tak aby pokrywały one szerokie spektrum energii podczas pracy razem-stąd „szerokopasmowa” zdolność anteny do telefonu komórkowego i dostępu do Internetu.
„kształt określa funkcję” „I nigdy tak naprawdę nie wiesz, jakiego kształtu będziesz potrzebować od jednej aplikacji do drugiej. Więc chcieliśmy mieć technologię, która mogłaby wyhaftować dowolny kształt dla każdej aplikacji.”
początkowy cel badaczy, jak dodał Kiourti, to po prostu zwiększenie precyzji haftu, co wymagało pracy z cienkim srebrnym drutem. Ale to stworzyło problem, ponieważ cienkie przewody nie były w stanie zapewnić tyle przewodności powierzchniowej, co grube przewody. Musieli więc znaleźć sposób, aby przerobić cienką nić na gęstości i kształty haftu, które zwiększałyby przewodność powierzchniową, a tym samym wydajność anteny/czujnika.
wcześniej naukowcy używali pokrytej srebrem nici polimerowej o średnicy 0,5 mm, każda nić składała się z 600 jeszcze drobniejszych włókien skręconych razem. Nowe gwinty mają średnicę 0,1 mm, wykonane z zaledwie siedmiu włókien. Każdy filament jest miedziany w środku, emaliowany czystym srebrem.
kupują drut za szpulę po cenie 3 centów za stopę; Kiourti oszacował, że Haftowanie pojedynczej anteny Szerokopasmowej, takiej jak wspomniana powyżej, zużywa około 10 stóp nici, za koszt materiału około 30 centów za antenę. To 24 razy tańsze niż kiedy Volakis i Kiourti stworzyli podobne anteny w 2014 roku.
po części oszczędności wynikają z użycia mniejszej ilości nici na haft. Wcześniej naukowcy musieli układać grubszy gwint w dwie warstwy, jedna na drugiej, aby antena przenosiła wystarczająco silny sygnał elektryczny. Ale udoskonalając technikę, którą opracowała wraz z Volakisem, Kiourti była w stanie stworzyć nowe, precyzyjne anteny tylko w jednej haftowanej warstwie drobniejszej nici. Więc teraz proces zajmuje połowę czasu: tylko około 15 minut dla wspomnianej powyżej anteny Szerokopasmowej.
włączyła również pewne techniki wspólne dla produkcji mikroelektroniki, aby dodać części do haftowanych anten i obwodów.
jedna prototypowa antena wygląda jak spirala i może być haftowana na ubraniu, aby poprawić odbiór sygnału telefonu komórkowego. Inny prototyp, rozciągliwa antena ze zintegrowanym chipem RFID (radio-frequency identification) osadzonym w gumie, zajmuje się zastosowaniami tej technologii poza odzieżą. (Ten ostatni obiekt był częścią badań przeprowadzonych dla producenta opon.)
kolejny Obwód przypomina logo Ohio State Block „O”, z nieprzewodzącą szkarłatną i szarą nicią wyhaftowaną wśród srebrnych drutów”, aby pokazać, że e-Tekstylia mogą być zarówno dekoracyjne, jak i funkcjonalne”, powiedział Kiourti.
mogą być dekoracyjne, ale haftowane anteny i obwody faktycznie działają. Testy wykazały, że haftowana antena spiralna mierząca około 6 cali szerokości przesyłanych sygnałów na częstotliwościach od 1 do 5 GHz z niemal idealną wydajnością. Wyniki sugerują, że spirala byłaby dobrze dostosowana do szerokopasmowego Internetu i komunikacji komórkowej.
innymi słowy, koszulka na plecach może zwiększyć odbiór smartfona lub tabletu, który trzymasz, lub wysyłać sygnały do urządzeń z danymi dotyczącymi zdrowia lub wyników sportowych.
praca dobrze pasuje do roli stanu Ohio jako partnera założyciela Instytutu Advanced Functional Fabrics of America, Krajowego Centrum zasobów produkcyjnych dla przemysłu i rządu. Nowy Instytut, który łączy około 50 uniwersytetów i partnerów przemysłowych, został ogłoszony na początku tego miesiąca przez Sekretarza Obrony USA Ashtona Cartera.
Syscom Advanced Materials w Columbus dostarczył wątków używanych w początkowej pracy Volakisa i Kiourtiego. Drobniejsze nici użyte w tym badaniu zostały zakupione od szwajcarskiego producenta Elektrisola. Badania są finansowane przez National Science Foundation, a Ohio State będzie licencjonować technologię do dalszego rozwoju.
do tego czasu Volakis przygotowuje listę zakupów na kolejny etap projektu.