Draadloze, batterijvrije krachtsensoren: Precieze meting tussen aanrakende objecten

Ingenieurs van de University of California San Diego in La Jolla, CA, hebben elektronische "stickers" ontwikkeld die de kracht meten die het ene object op het andere uitoefent. De krachtstickers zijn draadloos, werken zonder batterijen en passen in kleine ruimtes. Dat maakt ze veelzijdig voor een breed scala aan toepassingen, van robots voorzien van een tastzin tot het verbeteren van de immersieve ervaring van VR en AR, het slimmer maken van biomedische apparaten, het monitoren van de veiligheid van industriële apparatuur, en het verbeteren van de nauwkeurigheid en efficiëntie van voorraadbeheer in magazijnen.

Toepassingsvoorbeelden

Ze kunnen bijvoorbeeld in knie-implanten gebruikt worden om de krachten te meten die implanten op het gewricht uitoefenen. De mogelijkheid om veranderingen in deze krachten te voelen, kan nuttig zijn voor het monitoren van de pasvorm van een implantaat, evenals slijtage. Krachtstickers kunnen ook op de bodem van magazijnpakketten geplaatst worden om het gewicht van hun inhoud te meten, fungerend als miniatuur weegschalen voor voorraadcontrole.

"Deze krachtstickers kunnen technologie intelligenter, interactiever en intuïtiever maken," aldus Dinesh Bharadia, professor Electrical and Computer Engineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering. "Mensen bezitten van nature een inherent vermogen om kracht te voelen. Dit stelt ons in staat om naadloos met onze omgeving te interacteren en stelt clinici in staat om delicieuze chirurgische procedures uit te voeren. Het voorzien van deze krachtsensormogelijkheid aan elektronische apparaten en medische implanten kan een game-changer zijn voor veel industrieën."

Opbouw van de krachtsticker

De krachtstickers bestaan uit twee hoofcomponenten. Één is een kleine capacitor die slechts een paar millimeter dik is en ongeveer de grootte van een graan rijst. De andere component is een radiofrequentie-identificatie (RFID) sticker, een apparaat dat functioneert als een streepjescode die draadloos uitgelezen kan worden met radiosignalen. De onderzoekers vonden een slimme manier om deze twee componenten te integreren zodat ze de kracht die door een object wordt toegepast kunnen meten en die informatie draadloos naar een RFID-lezer communiceren.

De capacitor bestaat uit een zacht polymereerblad ingesloten tussen twee geleidende koperstrips. Wanneer een externe kracht wordt toegepast, comprimeert het polymereer, wat de koperstrips dichter bij elkaar trekt, waardoor de elektrische lading in de capacitor toeneemt.

Signaalverwerking via RFID

Deze toename in elektrische lading als resultaat van toegepaste kracht is cruciaal, tonen de onderzoekers aan, omdat het veranderingen creëert in het signaal dat door de RFID-sticker wordt getransmitteerd. Een RFID-lezer meet deze veranderingen op afstand en vertaalt ze naar een specifieke grootte van toegepaste kracht. Deze specifieke techniek van het creëren van veranderingen in RFID-signaal stelt de componenten binnen de krachtsticker in staat om geminiaturiseerd te worden. In vergelijking, eerdere methoden om veranderingen in RFID-signaal te creëren, vereisten componenten die duizend keer groter waren in grootte.

Terwijl de RFID-sticker op extreem laag vermogen draait door radiosignalen te transmitteren via een techniek genaamd backscattering. Het neemt inkomende radiosignalen van een RFID-lezer, wijzigt de signalen via elektrische veranderingen geïnduceerd door de capacitor, en reflecteert de gewijzigde signalen terug naar de lezer, die ze ontcijfert en vertaalt naar toegepaste kracht.

Als resultaat draaien de krachtstickers op essentieel geen stroom. "Het ontwerp is echt simpel met minimale elektronica," aldus studies eerste auteur Agrim Gupta, een electrical and computer engineering Ph.D. student in Bharadia's lab.

Aanpasbare krachtbereiken

Een ander ontwerpkenmerk is dat de capacitor aangepast kan worden voor diverse krachtbereiken. Door de polymereerlaag te vervangen door een zachtere of stijvere, kan de capacitor afgestemd worden om respectievelijk kleinere of grotere krachten te meten.

Demonstratie en duurzaamheid

Om te demonstreren, bouwden en testten de onderzoekers twee typen krachtstickers. In één sticker was de capacitor gebouwd met een super zacht polymereer om kleinere krachten te meten, geschikt voor experimenten in een modelkniegewricht. Geplaatst in het gewricht, meet de krachtsticker nauwkeurig verschillende toegepaste krachten toen de onderzoekers op het gewricht duwden. De tweede sticker, waarin de capacitor geconstrueerd was met een stijver polymereer, werd getest in een magazijnverpakkings-experiment. Bevestigd aan de onderkant van een doos, meet het nauwkeurig het gewicht van variërende hoeveelheden objecten in de doos.

In tests waren de krachtstickers extreem duurzaam. Ze weerstonden meer dan 10.000 krachttoepassingen en bleven consistent nauwkeurig. Bovendien kunnen ze tegen lage kosten geproduceerd worden, met elke sticker minder dan $2, merkten de onderzoekers op.

"Als we deze technologie kunnen commercialiseren, stellen we ons voor dat in de toekomst een doos ervan goedkoop verkocht kan worden, als een doos plakpleisters," aldus Gupta. Vooruit kijken, willen de onderzoekers de krachtstickers leesbaar maken door smartphones, wat de noodzaak voor RFID-lezers zou elimineren.

Voor meer informatie, neem contact op met Liezel Labios via llabios@ucsd.edu; 858-246-1124.