COLUMBUS, Ohio—cercetătorii care lucrează pentru a dezvolta electronice purtabile au atins un punct de reper: sunt capabili să brodeze circuitele în țesătură cu o precizie de 0,1 mm—dimensiunea perfectă pentru a integra componente electronice, cum ar fi senzorii și dispozitivele de memorie ale computerului în îmbrăcăminte.
cu acest avans, cercetătorii de la Universitatea de Stat din Ohio au făcut următorul pas spre proiectarea textilelor funcționale—haine care adună, stochează sau transmit informații digitale. Odată cu dezvoltarea ulterioară, tehnologia ar putea duce la cămăși care acționează ca antene pentru telefonul sau tableta dvs. inteligentă, Haine de antrenament care vă monitorizează nivelul de fitness, echipament sportiv care monitorizează performanța sportivilor, un bandaj care îi spune medicului dumneavoastră cât de bine se vindecă țesutul de sub el—sau chiar un capac flexibil din țesătură care simte activitatea din creier.
Asimina Kiourti. Fotografie de Jo Mcculy, curtoazie
de la Universitatea de Stat din Ohio.
ultimul articol este unul pe care John Volakis, directorul Laboratorului de ElectroScience din statul Ohio și cercetătorul Asimina Kiourti îl investighează. Ideea este de a face implanturile cerebrale, care sunt în curs de dezvoltare pentru a trata afecțiunile de la epilepsie la dependență, mai confortabile prin eliminarea nevoii de cablare externă pe corpul pacientului.
„o revoluție se întâmplă în industria textilă”, a spus Volakis, care este, de asemenea, Roy & Lois Chope profesor de Inginerie Electrică la Ohio State. „Credem că textilele funcționale sunt o tehnologie care permite comunicațiile și detectarea-și într-o zi chiar aplicații medicale precum imagistica și monitorizarea sănătății.”
recent, el și Kiourti și-au rafinat metoda de fabricație brevetată pentru a crea prototipuri purtabile la o fracțiune din cost și în jumătate din timp, așa cum au putut doar acum doi ani. Cu noi brevete în așteptare, au publicat noile rezultate în revista antene IEEE și scrisori de propagare fără fir.
John Volakis
în laboratorul lui Volakis, textilele funcționale, numite și „e-textile”, sunt create parțial pe o mașină tipică de cusut de masă—genul pe care artizanii și pasionații de țesături l-ar putea avea acasă. Ca și alte mașini moderne de cusut, brodează firul în țesătură automat pe baza unui model încărcat printr-un fișier de computer. Cercetătorii înlocuiesc firul cu fire metalice fine de argint care, odată brodate, se simt la fel ca firul tradițional la atingere.
„am început cu o tehnologie foarte cunoscută-broderia la mașină-și ne-am întrebat, cum putem funcționaliza formele brodate? Cum le facem să transmită semnale la frecvențe utile, cum ar fi telefoanele mobile sau senzorii de sănătate?”A spus Volakis. „Acum, pentru prima dată, am obținut precizia plăcilor de circuite imprimate din metal, astfel încât noul nostru obiectiv este să profităm de precizie pentru a încorpora receptoare și alte componente electronice.”
forma broderiei determină frecvența de funcționare a antenei sau circuitului, a explicat Kiourti.
forma unei antene de bandă largă, de exemplu, constă din mai mult de o jumătate de duzină de forme geometrice interconectate, fiecare puțin mai mare decât o unghie, care formează un cerc complicat de câțiva centimetri. Fiecare bucată a cercului transmite energie la o frecvență diferită, astfel încât să acopere un spectru larg de energii atunci când lucrează împreună—de unde și capacitatea de „bandă largă” a antenei pentru telefonul mobil și accesul la internet.
„forma determină funcția”, a spus ea. „Și niciodată nu știți cu adevărat ce formă veți avea nevoie de la o aplicație la alta. Așa că am vrut să avem o tehnologie care să poată broda orice formă pentru orice aplicație.”
obiectivul inițial al cercetătorilor, a adăugat Kiourti, a fost doar creșterea preciziei broderiei cât mai mult posibil, ceea ce a necesitat lucrul cu sârmă fină de argint. Dar asta a creat o problemă, în care firele fine nu au putut oferi la fel de multă conductivitate a suprafeței ca firele groase. Așa că au trebuit să găsească o modalitate de a lucra firul fin în densități și forme de broderie care să sporească conductivitatea suprafeței și, astfel, performanța antenei/senzorului.
anterior, cercetătorii au folosit fir de polimer acoperit cu argint cu un diametru de 0,5 mm, fiecare fir format din 600 de filamente chiar mai fine răsucite împreună. Noile fire au un diametru de 0,1 mm, realizate cu doar șapte filamente. Fiecare filament este cupru în centru, emailat cu argint pur.
cumpără firul de bobină la un cost de 3 cenți pe picior; Kiourti a estimat că brodarea unei singure antene de bandă largă precum cea menționată mai sus consumă aproximativ 10 picioare de fir, pentru un cost material de aproximativ 30 de cenți pe antenă. Aceasta este de 24 de ori mai puțin costisitoare decât atunci când Volakis și Kiourti au creat antene similare în 2014.
în parte, economiile de costuri provin din utilizarea mai puțin a firului pe broderie. Cercetătorii au trebuit anterior să stivuiască firul mai gros în două straturi, unul peste celălalt, pentru a face antena să poarte un semnal electric suficient de puternic. Dar prin rafinarea tehnicii pe care ea și Volakis au dezvoltat-o, Kiourti a reușit să creeze noile antene de înaltă precizie într-un singur strat brodat al firului mai fin. Deci, acum procesul durează jumătate din timp: doar aproximativ 15 minute pentru antena de bandă largă menționată mai sus.
ea a încorporat, de asemenea, câteva tehnici comune fabricării microelectronicii pentru a adăuga piese la antenele și circuitele brodate.
o antenă prototip arată ca o spirală și poate fi brodată în îmbrăcăminte pentru a îmbunătăți recepția semnalului telefonului mobil. Un alt prototip, o antenă extensibilă cu un cip integrat RFID (identificare prin frecvență radio) încorporat în cauciuc, ia aplicațiile pentru tehnologie dincolo de îmbrăcăminte. (Ultimul obiect a făcut parte dintr-un studiu realizat pentru un producător de anvelope.)
un alt circuit seamănă cu sigla „o” a blocului statului Ohio, cu fir stacojiu și gri neconductor brodat printre firele argintii „pentru a demonstra că e-textilele pot fi atât decorative, cât și funcționale”, a spus Kiourti.
pot fi decorative, dar antenele și circuitele brodate funcționează de fapt. Testele au arătat că o antenă spirală brodată care măsoară aproximativ șase centimetri peste semnalele transmise la frecvențe de 1 până la 5 GHz cu o eficiență aproape perfectă. Performanța sugerează că spirala ar fi potrivită pentru Internetul în bandă largă și comunicarea celulară.
cu alte cuvinte, cămașa de pe spate ar putea ajuta la creșterea recepției telefonului inteligent sau a tabletei pe care o țineți – sau să trimiteți semnale dispozitivelor dvs. cu date despre sănătate sau performanță atletică.
lucrarea se potrivește bine cu rolul statului Ohio ca partener fondator al Institutului avansat de țesături funcționale din America, un centru național de resurse de producție pentru industrie și guvern. Noul institut, care se alătură aproximativ 50 de universități și parteneri industriali, a fost anunțat la începutul acestei luni de secretarul american al Apărării, Ashton Carter.
Syscom Advanced Materials din Columb a furnizat firele utilizate în lucrarea inițială a lui Volakis și Kiourti. Firele mai fine utilizate în acest studiu au fost achiziționate de la producătorul elvețian Elektrisola. Cercetarea este finanțată de Fundația Națională pentru științe, iar statul Ohio va licenția tehnologia pentru dezvoltarea ulterioară.
până atunci, Volakis întocmește o listă de cumpărături pentru următoarea fază a proiectului.
„vrem o mașină de cusut mai mare”, a spus el.