Беспроводные датчики силы без батареек:точные измерения между соприкасающимися объектами

Калифорнийский университет в Сан-Диего, Ла-Хойя, Калифорния

Эта так называемая «стикер силы» представляет собой тонкое гибкое электронное устройство, которое измеряет силы между соприкасающимися объектами. (Изображение:Дэвид Байо/Инженерная школа Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего)

Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали электронные «наклейки», которые измеряют силу воздействия одного объекта на другой. Силовые наклейки беспроводные, работают без батареек и подходят для ограниченного пространства. Это делает их универсальными для широкого спектра применений:от оснащения роботов осязанием до повышения уровня погружения в виртуальную и дополненную реальность, повышения интеллектуальных биомедицинских устройств, мониторинга безопасности промышленного оборудования и повышения точности и эффективности управления запасами на складах.

Их можно использовать, например, в коленных имплантатах для измерения сил, которые имплантаты оказывают на сустав. Возможность ощущать изменения этих сил может быть полезна для мониторинга посадки имплантата, а также его износа. Наклейки Force также можно размещать на дне складских упаковок для измерения веса их содержимого, действуя как миниатюрные весы для проверки запасов.

«Эти силовые наклейки могут сделать технологии более интеллектуальными, интерактивными и интуитивно понятными», — сказал Динеш Бхарадиа, профессор электротехники и компьютерной инженерии Инженерной школы Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего. "Люди по своей природе обладают врожденной способностью ощущать силу. Это позволяет нам беспрепятственно взаимодействовать с окружающей средой и позволяет врачам выполнять деликатные хирургические процедуры. Использование этой способности к чувству силы в электронных устройствах и медицинских имплантатах может изменить правила игры во многих отраслях".

Силовые наклейки состоят из двух основных компонентов. Один из них представляет собой крошечный конденсатор толщиной всего несколько миллиметров и размером с рисовое зернышко. Другой компонент — это наклейка радиочастотной идентификации (RFID), которая представляет собой устройство, действующее как штрих-код, который можно считывать без проводов с помощью радиосигналов. Исследователи нашли хитрый способ объединить эти два компонента вместе, чтобы они могли измерять силу, приложенную к объекту, и передавать эту информацию по беспроводной сети на RFID-считыватель.

Конденсатор изготовлен из мягкого полимерного листа, зажатого между двумя проводящими медными полосами. При приложении внешней силы полимер сжимается, сближая медные полоски, тем самым увеличивая электрический заряд в конденсаторе.

Исследователи показывают, что увеличение электрического заряда в результате приложенной силы является ключевым, поскольку оно приводит к изменениям в сигнале, передаваемом RFID-наклейкой. Считыватель RFID удаленно измеряет эти изменения и переводит их в определенную величину приложенной силы. Этот конкретный метод создания изменений в сигнале RFID позволяет миниатюризировать компоненты силовой наклейки. Для сравнения, предыдущие методы создания изменений в RFID-сигнале требовали компонентов, размер которых в тысячу раз больше.

Между тем, RFID-наклейка работает с чрезвычайно низким энергопотреблением, передавая радиосигналы с помощью метода, называемого обратным рассеянием. Он принимает входящие радиосигналы от считывателя RFID, модифицирует их посредством электрических изменений, вызванных конденсатором, а затем отражает измененные сигналы обратно в считыватель, который расшифровывает их и преобразует в приложенную силу.

В результате силовые наклейки практически не потребляют энергии. «Дизайн действительно прост и содержит минимум электроники», — сказал первый автор исследования Агрим Гупта, доктор философии в области электротехники и вычислительной техники. студент лаборатории Бхарадии.

Еще одной особенностью конструкции является то, что конденсатор можно настроить под различные диапазоны сил. Заменяя полимерный слой более мягким или более жестким, конденсатор можно адаптировать для измерения меньших или больших сил соответственно.

Чтобы продемонстрировать это, исследователи создали и протестировали два типа силовых наклеек. На одной из наклеек конденсатор изготовлен из сверхмягкого полимера для измерения меньших сил, что делает его пригодным для использования в экспериментах на модели коленного сустава. Размещенная внутри сустава наклейка с силой точно измеряла различные силы, приложенные при надавливании на сустав. Вторая наклейка, в которой конденсатор изготовлен из более жесткого полимера, была протестирована в эксперименте по упаковке на складе. Прикрепленный к нижней части коробки, он точно измерял вес различного количества предметов, помещенных в коробку.

В ходе испытаний силовые наклейки оказались чрезвычайно прочными. Они выдержали более 10 000 применений силы и оставались неизменно точными. Кроме того, как отмечают исследователи, их можно изготовить по низкой цене:каждая наклейка будет стоить менее 2 долларов.

«Если мы сможем коммерциализировать эту технологию, мы думаем, что в будущем коробку с ними можно будет продавать недорого, как коробку пластырей», — сказал Гупта. В дальнейшем исследователи стремятся сделать наклейки, считываемые смартфонами, что устранит необходимость в RFID-считывателях.

Для получения дополнительной информации свяжитесь с Лизель Лабиос по адресу:Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра у вас должен быть включен JavaScript.; 858-246-1124.