Беспроводные, безбатарейные силовые сенсоры: точное измерение между соприкасающимися объектами

Университет Калифорнии в Сан-Диего, Ла-Хойя, КА

Так называемый «силовый стикер» — это тонкое, гибкое электронное устройство, измеряющее силы между объектами в контакте. (Изображение: Дэвид Байот / UC San Diego Jacobs School of Engineering)

Инженеры Университета Калифорнии в Сан-Диего разработали электронные «стикеры», измеряющие силу, прикладываемую одним объектом на другой. Силовые стикеры беспроводные, работают без батарей и помещаются в тесные пространства. Это делает их универсальными для широкого спектра приложений: от оснащения роботов тактильным ощущением до повышения иммерсивного опыта VR и AR, делая биомедицинские устройства умнее, мониторя безопасность промышленного оборудования и улучшая точность и эффективность управления инвентарем на складах.

Их можно использовать, например, в коленевых имплантатах для измерения сил, которые имплантаты оказывают на сустав. Способность чувствовать изменения в этих силах может быть полезна для мониторинга прилегания имплантата, а также износа. Силовые стикеры также можно разместить на дне складских упаковок для измерения веса их содержимого, действуя как миниатюрные весы для проверки инвентаря.

«Эти силовые стикеры могут сделать технологии более интеллектуальными, интерактивными и интуитивными», — сказал Динеш Бхарадия, профессор электротехники и компьютерной инженерии в школе инженерии Якобса UC San Diego. «Люди по природе обладают врожденной способностью чувствовать силу. Это позволяет нам бесшовно взаимодействовать с окружением и позволяет клиницистам выполнять деликатные хирургические процедуры. Предоставление этой способности сенсирования силы электронным устройствам и медицинским имплантатам может стать игрой-чейнджером для многих отраслей».

Конструкция силовых стикеров

Силовые стикеры состоят из двух основных компонентов. Один — крошечный конденсатор всего в несколько миллиметров толщиной и размером с зернышко риса. Другой компонент — RFID-стикер, устройство, функционирующее как штрих-код, который можно считывать беспроводно с помощью радиосигналов. Исследователи нашли умный способ интегрировать эти два компонента вместе так, чтобы они могли измерять силу, прикладываемую объектом, и беспроводно передавать эту информацию RFID-ридеру.

Конденсатор сделан из мягкого полимерного листа, зажатого между двумя медными полосками. Когда внешняя сила прикладывается, полимер сжимается, сближая медные полоски, тем самым увеличивая электрический заряд в конденсаторе.

Это увеличение электрического заряда в результате приложенной силы ключево, показывают исследователи, потому что оно создает изменения в сигнале, передаваемом RFID-стикером. RFID-ридер удаленно измеряет эти изменения и переводит их в конкретную величину приложенной силы. Эта конкретная техника создания изменений в RFID-сигнале позволяет компонентам внутри силового стикера быть миниатюризированными. В сравнении, предыдущие методы создания изменений в RFID-сигнале требовали компонентов, в тысячу раз больших по размеру.

В то же время RFID-стикер работает на экстремально низкой мощности, передавая радиосигналы через технику, называемую бэкскеттеринг. Он принимает входящие радиосигналы от RFID-ридера, модифицирует сигналы через электрические изменения, индуцированные конденсатором, а затем отражает модифицированные сигналы обратно к ридеру, который расшифровывает и переводит их в приложенную силу.

В результате силовые стикеры работают практически без питания. «Дизайн действительно прост с минимальной электроникой», — сказал первый автор исследования Агрим Гупта, аспирант по электротехнике и компьютерной инженерии в лаборатории Бхарадии.

Настройка под диапазоны сил

Другая особенность дизайна — конденсатор можно настроить под различные диапазоны сил. Заменяя полимерный слой на более мягкий или более жесткий, конденсатор можно адаптировать для измерения меньших или больших сил соответственно.

Демонстрация двух типов

Для демонстрации исследователи построили и протестировали два типа силовых стикеров. В одном стикере конденсатор был построен с супер-мягким полимером для измерения меньших сил, делая его подходящим для использования в экспериментах в модели коленного сустава. Размещенный внутри сустава, силовой стикер точно измерял разные приложенные силы, пока исследователи давили на сустав. Второй стикер, в котором конденсатор был построен с более жестким полимером, тестировался в эксперименте со складской упаковкой. Прикрепленный к нижней стороне коробки, он точно измерял вес варьирующихся количеств объектов, помещенных в коробку.

В тестах силовые стикеры были крайне долговечны. Они выдержали более 10 000 приложений силы и оставались последовательно точными. Кроме того, их можно фabриковать по низкой стоимости, каждый стикер обходится менее чем в $2, отметили исследователи.

«Если мы сможем коммерциализировать эту технологию, мы представляем, что в будущем коробка из них может продаваться недорого, как коробка пластырей», — сказал Гупта. Двигаясь вперед, исследователи стремятся сделать силовые стикеры считываемыми смартфонами, что устранит необходимость в RFID-ридерах.

Для получения дополнительной информации свяжитесь с Лизель Лабиос по адресу: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.; тел.: 858-246-1124.