Huis > Nieuws > Inhoud
Computers in je kleren? Een mijlpaal voor draagbare elektronica
Aug 22, 2018

Onderzoekers die werken aan de ontwikkeling van draagbare elektronische scheermessen hebben een mijlpaal bereikt: ze kunnen circuits met 0,1 mm precisie in borduurstof borduren - de perfecte maat om elektronische componenten zoals sensoren en computergeheugenapparaten in kleding te integreren.

Met dit voorschot hebben de onderzoekers van de Ohio State University de volgende stap gezet naar het ontwerpen van functionele textielkleding die digitale informatie verzamelt, opslaat of verzendt. Bij verdere ontwikkeling kan de technologie leiden tot overhemden die dienst doen als antennes voor uw smartphone of tablet, trainingskleding die uw fitnessniveau bewaakt, sportuitrusting die de prestaties van atleten controleert, een verband dat uw arts vertelt hoe goed het weefsel eronder is genezing - of zelfs een flexibele stoffen muts die activiteit in de hersenen detecteert.

Dat laatste item is er een die John Volakis, directeur van het ElectroScience Laboratory in de staat Ohio, en onderzoekswetenschapper Asimina Kiourti aan het onderzoeken zijn. Het idee is om hersenimplantaten te maken, die in ontwikkeling zijn om aandoeningen van epilepsie tot verslaving te behandelen, comfortabeler door het elimineren van de behoefte aan externe bedrading op het lichaam van de patiënt.

"Er is een revolutie gaande in de textielindustrie", zegt Volakis, tevens Roy's en Lois Chope-hoogleraar Elektrotechniek in de staat Ohio. "Wij geloven dat functioneel textiel een enabling technology is voor communicatie en detectie - en op een dag zelfs medische toepassingen zoals imaging en health monitoring."

Onlangs hebben hij en Kiourti hun gepatenteerde fabricagemethode verfijnd om prototypen te maken voor een fractie van de kosten en in de helft van de tijd zoals ze dat slechts twee jaar geleden konden. Met nieuwe patenten in behandeling publiceerden ze de nieuwe resultaten in het tijdschrift IEEE Antennes en Wireless Propagation Letters.

In het laboratorium van Volakis worden functionele weefsels, ook wel "e-textiles" genoemd, deels gemaakt op een typische tafelnaaimachine - het soort stof dat handwerkslieden en hobbyisten thuis zouden kunnen hebben. Net als andere moderne naaimachines, borduurt het automatisch draad in stof op basis van een patroon dat via een computerbestand wordt geladen. De onderzoekers vervangen de draad door fijne zilveren metaaldraden die, eenmaal geborduurd, hetzelfde aanvoelen als traditionele draad om aan te raken.

"We zijn begonnen met een technologie die zeer bekend is - machinaal borduren - en we vroegen, hoe kunnen we geborduurde vormen functionaliseren? Hoe zorgen we ervoor dat ze signalen uitzenden op handige frequenties, zoals voor mobiele telefoons of gezondheidssensoren? "Zei Volakis. "Nu hebben we voor het eerst de nauwkeurigheid van gedrukte metalen printplaten behaald, dus ons nieuwe doel is om voordeel te halen uit de precisie om ontvangers en andere elektronische componenten op te nemen."

De vorm van het borduurwerk bepaalt de frequentie van de werking van de antenne of het circuit, legde Kiourti uit.

De vorm van een breedbandantenne bestaat bijvoorbeeld uit meer dan zes dozijn in elkaar grijpende geometrische vormen, elk een beetje groter dan een vingernagel, die een paar centimeters ingewikkelde cirkels vormen. Elk deel van de cirkel zendt energie uit met een andere frequentie, zodat ze een breed spectrum aan energieën bedekken bij het samenwerken - vandaar de "breedband" -mogelijkheden 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 volgende. We wilden dus een technologie hebben die elke vorm voor elke toepassing kon borduren. "

Het oorspronkelijke doel van de onderzoekers, aldus Kiourti, was alleen maar om de precisie van het borduurwerk zo veel mogelijk te verhogen, waardoor werken met fijn zilverdraad noodzakelijk was. Maar dat creëerde een probleem, omdat fijne draden niet zo veel oppervlaktegeleidbaarheid konden bieden als dikke draden. Dus moesten ze een manier vinden om de fijne draad in borduurdensiteiten en vormen te verwerken die de geleidbaarheid van het oppervlak en dus de prestaties van de antenne / sensor zouden vergroten.

Eerder hadden de onderzoekers zilver gecoate polymeerdraad met een diameter van 0,5 mm gebruikt, elke draad bestond uit 600 nog fijnere filamenten die aan elkaar waren gedraaid. De nieuwe draden hebben een diameter van 0,1 mm, gemaakt met slechts zeven filamenten. Elke draad is koper in het midden, geëmailleerd met puur zilver.

Ze kopen de draad bij de spoel in voor een bedrag van 3 cent per voet; Kiourti schatte dat het borduren van een enkele breedbandantenne zoals de hierboven genoemde ongeveer 10 voet draad kost, voor een materiaalkosten van ongeveer 30 cent per antenne. Dat is 24 keer minder duur dan wanneer Volakis en Kiourti in 2014 vergelijkbare antennes hebben gemaakt.

Voor een deel is de kostenbesparing het gevolg van het gebruik van minder draad per borduurwerk. De onderzoekers moesten eerder de dikkere draad in twee lagen stapelen, de een 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, kon Kiourti de nieuwe, zeer nauwkeurige antennes maken in slechts één geborduurde laag van de fijnere draad. Het proces neemt nu dus de helft van de tijd in beslag: slechts ongeveer 15 minuten voor de hierboven genoemde breedbandantenne.

Ze heeft ook een aantal technieken geïntegreerd die eigen zijn aan de fabricage van micro-elektronica om onderdelen toe te voegen aan geborduurde antennes en circuits.

Eén antenne van het prototype ziet eruit als een spiraal en kan in kleding worden geborduurd om de ontvangst van mobiele telefoons te verbeteren. Een ander prototype, een rekbare antenne met een geïntegreerde RFID (radiofrequentie-identificatie) chip ingebed in rubber, neemt de toepassingen voor de technologie verder dan kleding. (Het laatste object was onderdeel van een studie die werd uitgevoerd 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-textiel zowel decoratief als functioneel kan zijn," zei Kiourti.

Ze kunnen decoratief zijn, maar de geborduurde antennes en schakelingen werken echt. Tests hebben aangetoond dat een geborduurde spiraalantenne van ongeveer zes centimeter over uitgezonden signalen op frequenties van 1 tot 5 GHz met bijna perfecte efficiëntie. De prestaties suggereren dat de spiraal goed geschikt zou zijn voor breedbandinternet en mobiele communicatie.

Met andere woorden, het shirt op uw rug kan de ontvangst van de smartphone of tablet die u vasthoudt, stimuleren - of signalen naar uw apparaten sturen met gezondheids- of sportprestatiegegevens.

Het werk past goed bij de rol van Ohio State als founding partner van het Advanced Functional Fabrics of America Institute, een nationaal productiecentrum voor industrie en overheid. Het nieuwe instituut, dat deel uitmaakt van 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 werden gebruikt in het oorspronkelijke werk van Volakis en Kiourti. De fijnere draden gebruikt in deze studie werden gekocht van 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 die tijd stelt Volakis een boodschappenlijst op voor de volgende fase van het project.

"We willen een grotere naaimachine", zei hij.

Het originele artikel is afkomstig van iconnect007