COLUMBUS, Ohio—forskare som arbetar för att utveckla bärbar elektronik har nått en milstolpe: de kan brodera kretsar i tyg med 0,1 mm precision—den perfekta storleken för att integrera elektroniska komponenter som sensorer och datorminnesenheter i kläder.
med detta framsteg har Ohio State University-forskarna tagit nästa steg mot utformningen av funktionella textilier—kläder som samlar, lagrar eller överför digital information. Med vidare utveckling kan tekniken leda till skjortor som fungerar som antenner för din smarta telefon eller surfplatta, träningskläder som övervakar din träningsnivå, sportutrustning som övervakar idrottarnas prestanda, ett bandage som berättar för din läkare hur väl vävnaden under den läker—eller till och med en flexibel tyglock som känner av aktivitet i hjärnan.
Asimina Kiourti. Foto av Jo McCulty, med tillstånd
från Ohio State University.
det sista objektet är en som John Volakis, chef för ElectroScience Laboratory i Ohio State, och forskare Asimina Kiourti undersöker. Tanken är att göra hjärnimplantat, som är under utveckling för att behandla tillstånd från epilepsi till missbruk, bekvämare genom att eliminera behovet av extern ledning på patientens kropp.
” en revolution händer i textilindustrin”, säger Volakis, som också är Roy & Lois Chope ordförande Professor i elektroteknik vid Ohio State. ”Vi tror att funktionella textilier är en möjliggörande teknik för kommunikation och avkänning—och en dag även medicinska tillämpningar som bildbehandling och hälsoövervakning.”
nyligen förfinade han och Kiourti sin patenterade tillverkningsmetod för att skapa prototyper av wearables till en bråkdel av kostnaden och på halva tiden som de bara kunde för två år sedan. Med nya patentsökta publicerade de de nya resultaten i tidskriften IEEE antenns and Wireless Propagation Letters.
John Volakis
i Volakis lab skapas de funktionella textilierna, även kallade ”e-textilier”, delvis på en typisk bordsymaskin—den typ som tyghantverkare och hobbyister kan ha hemma. Liksom andra moderna symaskiner broderar den tråd i tyg automatiskt baserat på ett mönster som laddas via en datorfil. Forskarna ersätter tråden med fina silvermetalltrådar som, när de är broderade, känner samma sak som traditionell tråd vid beröring.
” vi började med en teknik som är mycket välkänd-Maskinbroderi-och vi frågade, hur kan vi funktionalisera broderade former? Hur får vi dem att sända signaler vid användbara frekvenser, som för mobiltelefoner eller hälsosensorer?”Sa Volakis. ”Nu har vi för första gången uppnått noggrannheten hos kretskort av tryckt metall, så vårt nya mål är att dra nytta av precisionen för att införliva mottagare och andra elektroniska komponenter.”
broderiets form bestämmer antennens eller kretsens frekvens, förklarade Kiourti.
formen på en bredbandsantenn består till exempel av mer än ett halvt dussin sammankopplade geometriska former, var och en lite större än en nagel, som bildar en invecklad cirkel några inches över. Varje del av cirkeln överför energi med en annan frekvens, så att de täcker ett brett spektrum av energier när de arbetar tillsammans—därmed antennens ”bredband” – förmåga för mobiltelefon och internetåtkomst.
”form bestämmer funktion”, sa hon. ”Och du vet aldrig riktigt vilken form du behöver från en applikation till nästa. Så vi ville ha en teknik som kunde brodera vilken form som helst för alla applikationer.”
forskarnas ursprungliga mål, tillade Kiourti, var bara att öka broderiets precision så mycket som möjligt, vilket krävde att arbeta med fin silvertråd. Men det skapade ett problem, eftersom fina ledningar inte kunde ge så mycket ytledningsförmåga som tjocka ledningar. Så de var tvungna att hitta ett sätt att arbeta den fina tråden i broderitätheter och former som skulle öka ytkonduktiviteten och därmed antennen/sensorns prestanda.
tidigare hade forskarna använt silverbelagd polymertråd med en 0,5 mm diameter, varje tråd består av 600 ännu finare filament vridna ihop. De nya trådarna har en diameter på 0,1 mm, tillverkad med endast sju trådar. Varje filament är koppar i mitten, emaljerad med rent silver.
de köper tråden av spolen till en kostnad av 3 cent per fot; Kiourti uppskattade att brodering av en enda bredbandsantenn som den som nämnts ovan förbrukar cirka 10 fot tråd, för en materialkostnad på cirka 30 cent per antenn. Det är 24 gånger billigare än när Volakis och Kiourti skapade liknande antenner 2014.
delvis kommer kostnadsbesparingarna från att använda mindre tråd per broderi. Forskarna var tidigare tvungna att stapla den tjockare tråden i två lager, en ovanpå den andra, för att få antennen att bära en tillräckligt stark elektrisk signal. Men genom att förfina tekniken som hon och Volakis utvecklade kunde Kiourti skapa de nya antennerna med hög precision i endast ett broderat lager av den finare tråden. Så nu tar processen halva tiden: endast cirka 15 minuter för bredbandsantennen som nämns ovan.
hon har också införlivat några tekniker som är gemensamma för mikroelektroniktillverkning för att lägga till delar till broderade antenner och kretsar.
en prototypantenn ser ut som en spiral och kan broderas i kläder för att förbättra mobiltelefonsignalmottagningen. En annan prototyp, en töjbar antenn med ett integrerat RFID-chip (radiofrekvensidentifiering) inbäddat i gummi, tar applikationerna för tekniken utöver kläder. (Det senare objektet var en del av en studie gjord för en däcktillverkare.)
ännu en krets liknar Ohio State Block” O ”-logotypen, med icke-ledande skarlet och grå tråd broderad bland silvertrådarna” för att visa att e-textilier kan vara både dekorativa och funktionella”, sa Kiourti.
de kan vara dekorativa, men de broderade antennerna och kretsarna fungerar faktiskt. Tester visade att en broderad spiralantenn som mäter ungefär sex tum över överförda signaler vid frekvenser på 1 till 5 GHz med nästan perfekt effektivitet. Resultatet tyder på att spiralen skulle vara väl lämpad för bredbandsinternet och cellulär kommunikation.
med andra ord kan skjortan på ryggen hjälpa till att öka mottagningen av den smarta telefonen eller surfplattan som du håller i – eller skicka signaler till dina enheter med hälso-eller atletisk prestationsdata.
arbetet passar bra med Ohio State roll som grundare av Advanced Functional Fabrics of America Institute, ett nationellt tillverkningsresurscenter för industri och regering. Det nya institutet, som ansluter sig till cirka 50 universitet och industripartners, tillkännagavs tidigare denna månad av USA: s försvarsminister Ashton Carter.
Syscom Advanced Materials i Columbus tillhandahöll trådarna som användes i Volakis och Kiourtis första arbete. De finare trådarna som användes i denna studie köptes från den schweiziska tillverkaren Elektrisola. Forskningen finansieras av National Science Foundation, och Ohio State kommer att licensiera tekniken för vidare utveckling.
fram till dess gör Volakis en inköpslista för nästa fas av projektet.
”vi vill ha en större symaskin”, sa han.