Flexibele Draadloze Zender voor Draagbare Medische Sensoren

Huidig onderzoek naar flexibele elektronica baant de weg voor draadloze sensoren die op het lichaam gedragen kunnen worden en een verscheidenheid aan medische data verzamelen. Maar zonder een vergelijkbaar flexibel zendapparaat, zouden deze sensoren bedrade verbindingen vereisen om gezondheidsdata te overbrengen.

Net als draagbare sensoren, moet een draagbare zender veilig zijn voor gebruik op menselijke huid, functioneel bij kamertemperatuur, en in staat zijn buigen, compressie, en rekken te weerstaan. De flexibiliteit van de zender doet echter een unieke uitdaging op: Wanneer antennes gecomprimeerd of gerekt worden, verandert hun resonantiefrequentie (RF) en zenden ze radiosignalen op golflengtes die mogelijk niet overeenkomen met die van de beoogde ontvangers van de antenne.

Onderzoekers hebben een flexibele, draagbare zender in lagen gecreëerd. Bouwend op eerdere werk, fabriceren ze een koperen mesh met een patroon van overlappende, golvende lijnen. Deze mesh maakt de onderlaag uit, die de huid aanraakt, en de bovenlaag, die fungeert als het stralende element in de antenne. De bovenlaag creëert een dubbele boog wanneer gecomprimeerd en rekkt wanneer getrokken — en beweegt tussen deze stadia in een geordende reeks stappen. Het gestructureerde proces waarbij de antenne mesh boogt, plattrekt, en rekkt verbetert de algehele flexibiliteit van de laag en vermindert RF fluctuaties tussen de toestanden van de antenne.

De onderlaag mesh houdt radiosignalen van interactie met de huid. Deze implementatie, naast het voorkomen van weefselschade, vermijdt een energieverlies veroorzaakt door weefsel dat het signaal degradeert. De mogelijkheid van de antenne om een stabiele RF te behouden stelt de zender ook in staat om energie van radiogolven te verzamelen, potentiële energievorming van externe bronnen verlagend.

De zender, die draadloze data kan verzenden op een bereik van bijna 300 voet (ongeveer 90 meter), kan eenvoudig een aantal computerechips of sensoren integreren. Met verder onderzoek kan het toepassingen hebben in gezondheidsmonitoring en klinische behandelingen alsook energie-opwekking en opslag.

Na het ontwikkelen van het rekbare antenne prototype, analyseerden de onderzoekers het om nieuwe fundamentele paden te identificeren voor het fijn-afstemmen van zo'n apparaat dat op vergelijkbare, toekomstige onderzoek toegepast kan worden. Het team fabricerde een antenne met lagen en een mesh patroon vergelijkbaar met hun eerdere prototype maar zonder de dubbele-boog compressiestructuur. Ze maatten de deformatie van de antenne terwijl de mesh op verschillende intervallen gerekt werd, en gebruikten computersimulaties om de relatie tussen de deformatie en de antenneprestaties te onderzoeken.

Om de analyse van de antenne's radiosignaaltransmissie te vereenvoudigen, gebruikten de onderzoekers een wiskundige techniek om bepaalde metingen — zoals de breedte en hoek van het herhalende mesh patroon — om te zetten in constante waarden. Met dit proces, normalisatie genoemd, kunnen onderzoekers zich richten op de relatie tussen specifieke variabelen door de invloed van de genormaliseerde variabelen te negeren.

Het team vond dat de normalisatie van verschillende variabelen verschillende wegen bood voor het aanpassen van de antenneprestaties. Ze vonden ook dat de gesimuleerde geometrie van de mesh verschillende resultaten kon produceren, zelfs met dezelfde set genormaliseerde variabelen.

Hoewel de onderzoekers draagbare antenne-eigenschappen analyseerden, kunnen de methoden toegepast worden op andere radiofrequentie apparaten. Het onderzoek kan leiden tot netwerken van sensoren en zenders op het lichaam gedragen, allemaal met elkaar en externe apparaten communicerend.

Bekijk een video op Tech Briefs TV hier. Voor meer informatie, contacteer Megan Lakatos op megan.lakatos@psu.edu; 814-865-5544.