Комп'ютери у вашому одязі? Етап для носіїв електроніки
Aug 22, 2018

Дослідники, які працюють над розробкою електронного носія, досягли важливого етапу: вони можуть вишивати схеми в тканину з точністю 0,1 мм - ідеальний розмір, щоб інтегрувати електронні компоненти, такі як датчики та пристрої пам'яті комп'ютера, в одяг.

Завдяки цьому, дослідники штату Університет штату Огайо зробили наступний крок до розробки функціонального текстильного одягу, який збирає, зберігає або передає цифрову інформацію. З подальшим розвитком ця технологія може призвести до рубанків, які діють як антени для вашого смартфона або планшета, тренувальний одяг, що контролює ваш рівень фітнесу, спортивне обладнання, яке контролює ефективність спортсменів, пов'язка, яка повідомляє вашого лікаря, наскільки добре тканини під ним зцілення або навіть гнучка кришка для тканин, яка відчуває активність у мозку.

Цей останній пункт - це той, який досліджує Джон Волакіс, директор лабораторії ElectroScience в штаті Огайо та дослідник-дослідник Асіміна Кіоріті. Ідея полягає в тому, щоб зробити імплантанти мозку, які знаходяться на стадії розробки для лікування станів від епілепсії до наркоманії, більш комфортними, усуваючи необхідність зовнішньої проводки на організмі пацієнта.

"Революція відбувається в текстильній промисловості", - сказав Волакіс, який також є головою Роя і Лоіса Хоппе, професором електротехніки штату Огайо. "Ми вважаємо, що функціональний текстиль є потужною технологією для зв'язку та зондування, і в один прекрасний день навіть медичні програми, такі як візуалізація та моніторинг здоров'я".

Нещодавно він і Кіоріті вдосконалили свій патентований метод виготовлення, щоб створити прототип нарядних приладів за часткою вартості та в половину часу, як це було всього два роки тому. З новими патентами, що очікують на розгляд, вони опублікували нові результати в журналі IEEE Antennas та Wireless Spreading Letters.

У лабораторії Volakis функціональний текстиль, який також називають "електронний текстиль", частково створюється на типовій настільній швейній машині - такий, що може мати вдома майстерня ремесленників і любителів. Як і інші сучасні швейні машини, він вишиває нитку в тканину автоматично, заснований на шаблоні, завантаженому через комп'ютерний файл. Дослідники замінюють нитку тонким срібним металевим дротом, який після вишивання відчуває себе так само, як традиційна різьба на дотик.

"Ми почали з технології, яка дуже добре відома, машинна вишивка, і ми запитали, як ми можемо функціоналізувати вишиті форми? Як ми робимо їх передавання сигналів на корисних частотах, як, наприклад, для мобільних телефонів або датчиків охорони здоров'я? »Волак сказав. "Зараз ми вперше досягли точності друкованих платівок для металу, тому наша нова мета - скористатися точністю для включення приймачів та інших електронних компонентів".

Форма вишивки визначає частоту роботи антени або ланцюга, пояснив Кіуріті.

Форма однієї широкосмугової антени, наприклад, складається з більш ніж півдюжини блокуючих геометричних фігур, кожен трохи більше, ніж нігтя, які утворюють складний круг в декілька дюймів. Кожна частина кола передає енергію на іншій частоті, так що вони охоплюють широкий спектр енергій, коли вони працюють разом - отже, "широкосмугового" можливості антени для мобільного телефону та доступу до Інтернету.

"Форма визначає функцію", сказала вона. "І ви ніколи не знаєте, яка форма вам потрібна від однієї програми до наступної. Тому ми хотіли мати технологію, яка могла б вишивати будь-яку форму для будь-якої програми ".

Початкова мета дослідників, додала Кіоріті, полягала лише в тому, щоб максимально підвищити точність вишивки, що вимагало роботи з тонкою срібною дротом. Але це створило проблему, тому що дрібні дроти не могли забезпечити такої ж поверхневої провідності, як товсті дроти. Тому їм довелося знайти спосіб роботи тонкої нитки у щільності і формі вишивки, що підвищить поверхневу провідність і, отже, продуктивність антени / датчика.

Раніше дослідники використовували полімерну нитку з покритою сріблом діаметром 0,5 мм, кожна нитка складалася з 600 навіть більш дрібних ниток, скручених разом. Нові нитки мають діаметр 0,1 мм, виконані лише з семи ниток. Кожна нитка - мідь у центрі, емальований чистим сріблом.

Вони купують дріт по катушці за ціною 3 центів на ногу; За оцінками Кіорі, вишивання однієї широкосмугової антени, подібної до згаданої вище, споживає близько 10 футів різьби, при матеріальних витратах близько 30 центів на антену. Це в 24 рази дешевше, ніж у 2014 році, коли Volakis і Kiourti створили подібні антени.

Частково заощадження витрат відбувається за рахунок використання меншої нитки на вишивці. Дослідникам доводилося складати товсту нитку в два шари, один над другим, щоб антена містила досить сильний електричний сигнал. Але, вдосконалюючи техніку, яку вона розвинула з Волакісом, Кіуріт зміг створити нові високоточні антени тільки в одному вишитому шарі тонкої нитки. Таким чином, зараз процес триває половину часу: лише приблизно 15 хвилин для широкосмугової антени, згаданої вище.

Вона також включені деякі методи, загальні для виробництва мікроелектроніки, щоб додати частини до вишивних антен і схем.

Одна антена прототипу виглядає як спіраль і може бути вишита в одяг, щоб покращити прийом сигналу мобільного телефону. Ще один прототип, розтягувана антена з інтегрованою RFID (радіочастотною ідентифікацією) чіпом, вбудованою в каучук, приймає заявку на технологію поза одягом. (Цей об'єкт був частиною дослідження, проведеного для виробника шин.)

Ще одна схема нагадує логотип штатного квадрата штату Огайо, з непроводячою червоною і сірою ниткою, вишитою серед срібних дротів, "щоб продемонструвати, що електронний текстиль може бути як декоративним, так і функціональним", - сказав Кіоріті.

Вони можуть бути декоративними, але вишиті антени та схеми дійсно працюють. Випробування показали, що вишита спіральна антена розміром приблизно шести дюймів через передані сигнали на частотах від 1 до 5 ГГц з майже ідеальною ефективністю. Результати показують, що спіраль буде добре підходить для широкосмугового Інтернету та стільникового зв'язку.

Іншими словами, сорочка на спині може допомогти покращити прийом смартфона чи планшета, який ви тримаєте, або надсилати на свої пристрої сигнали із показниками здоров'я чи спортивних показників.

Ця робота добре підходить для ролі держави штату Огайо як партнера-засновника Інституту розширеної функціональної тканини Америки, національного виробничого ресурсного центру для промисловості та уряду. Новий інститут, який об'єднує близько 50 університетів та промислових партнерів, був оголошений цього місяця міністром закордонних справ США Ештоном Картером.

Syscom Advanced Materials в Коламбусі забезпечили нитки, використані в початковій роботі Volakis і Kiourti. Тонкі нитки, використані в цьому дослідженні, були придбані у швейцарського виробника Electrisola. Дослідження фінансується Національним науковим фондом, а штат Огайо буде ліцензувати технологію для подальшого розвитку.

До цього часу Volakis складе список покупок для наступного етапу проекту.

"Ми хочемо більшу швейну машину", - сказав він.

Оригінальна стаття поставляється з iconnect007