Draadloze, batterijloze krachtsensoren:nauwkeurige meting tussen aanrakende objecten

Universiteit van Californië San Diego, La Jolla, CA

Deze zogenaamde ‘krachtsticker’ is een dun, flexibel elektronisch apparaatje dat krachten meet tussen objecten die contact maken. (Afbeelding:David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering)

Ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego hebben elektronische ‘stickers’ ontwikkeld die de kracht meten die door het ene object op het andere wordt uitgeoefend. De force-stickers zijn draadloos, werken zonder batterijen en passen in krappe ruimtes. Dat maakt ze veelzijdig voor een breed scala aan toepassingen, van het bewapenen van robots met tastzin tot het verbeteren van de meeslepende ervaring van VR en AR, het slimmer maken van biomedische apparaten, het bewaken van de veiligheid van industriële apparatuur en het verbeteren van de nauwkeurigheid en efficiëntie van voorraadbeheer in magazijnen.

Ze zouden bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt in knie-implantaten om de krachten te meten die implantaten op het gewricht uitoefenen. Het vermogen om veranderingen in deze krachten waar te nemen kan nuttig zijn voor het monitoren van de pasvorm van een implantaat, evenals van slijtage. Force-stickers kunnen ook op de bodem van magazijnpakketten worden geplaatst om het gewicht van de inhoud te meten, en fungeren als miniatuurweegschalen voor het controleren van de voorraad.

“Deze force-stickers kunnen technologie intelligenter, interactiever en intuïtiever maken”, zegt Dinesh Bharadia, hoogleraar Electrical and Computer Engineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering. "Mensen beschikken van nature over het inherente vermogen om kracht te voelen. Hierdoor kunnen we naadloos communiceren met onze omgeving en kunnen artsen delicate chirurgische procedures uitvoeren. Het aanbieden van dit krachtgevoelige vermogen aan elektronische apparaten en medische implantaten zou voor veel industrieën een game-changer kunnen zijn."

De force-stickers bestaan uit twee hoofdcomponenten. De ene is een kleine condensator die slechts een paar millimeter dun is en ongeveer zo groot is als een rijstkorrel. Het andere onderdeel is een RFID-sticker (radiofrequentie-identificatie), een apparaat dat functioneert als een streepjescode die draadloos kan worden gelezen met behulp van radiosignalen. De onderzoekers hebben een slimme manier gevonden om deze twee componenten met elkaar te integreren, zodat ze de kracht kunnen meten die door een object wordt uitgeoefend en die informatie draadloos naar een RFID-lezer kunnen communiceren.

De condensator is gemaakt van een zachte polymeerplaat, ingeklemd tussen twee geleidende koperen strips. Wanneer er een externe kracht wordt uitgeoefend, wordt het polymeer samengedrukt, waardoor de koperen strips dichter bij elkaar worden getrokken, waardoor de elektrische lading in de condensator toeneemt.

Deze toename van de elektrische lading als gevolg van uitgeoefende kracht is van cruciaal belang, laten de onderzoekers zien, omdat het veranderingen veroorzaakt in het signaal dat door de RFID-sticker wordt verzonden. Een RFID-lezer meet deze veranderingen op afstand en vertaalt deze naar een specifieke omvang van de uitgeoefende kracht. Deze specifieke techniek voor het creëren van veranderingen in het RFID-signaal maakt het mogelijk dat de componenten binnen de krachtsticker worden geminiaturiseerd. Ter vergelijking:eerdere methoden om veranderingen in het RFID-signaal te creëren vereisten componenten die duizend keer groter waren.

Ondertussen werkt de RFID-sticker op extreem laag vermogen door radiosignalen uit te zenden via een techniek die backscattering wordt genoemd. Het neemt binnenkomende radiosignalen van een RFID-lezer, wijzigt de signalen via elektrische veranderingen veroorzaakt door de condensator, en reflecteert vervolgens de gewijzigde signalen terug naar de lezer, die ze ontcijfert en vertaalt in uitgeoefende kracht.

Als gevolg hiervan werken de Force-stickers vrijwel zonder stroom. "Het ontwerp is heel eenvoudig met minimale elektronica", zegt eerste auteur Agrim Gupta, een Ph.D. op het gebied van elektrotechniek en computertechniek. student in het laboratorium van Bharadia.

Een ander ontwerpkenmerk is dat de condensator kan worden aangepast voor verschillende krachtbereiken. Door de polymeerlaag te vervangen door een zachtere of stijvere laag, kan de condensator worden aangepast om respectievelijk kleinere of grotere krachten te meten.

Om dit aan te tonen hebben de onderzoekers twee soorten krachtstickers gebouwd en getest. In één sticker is de condensator gebouwd met een superzacht polymeer om kleinere krachten te meten, waardoor deze geschikt is voor gebruik bij experimenten in een modelkniegewricht. De krachtsticker werd in het gewricht geplaatst en meet nauwkeurig de verschillende uitgeoefende krachten terwijl de onderzoekers op het gewricht duwden. De tweede sticker, waarbij de condensator was vervaardigd uit een stijver polymeer, werd getest in een verpakkingsexperiment in een magazijn. Het werd aan de onderkant van een doos bevestigd en mat nauwkeurig het gewicht van verschillende hoeveelheden voorwerpen die in de doos waren geplaatst.

In tests waren de Force-stickers extreem duurzaam. Ze doorstonden meer dan 10.000 krachttoepassingen en bleven consistent nauwkeurig. Bovendien kunnen ze tegen lage kosten worden vervaardigd, waarbij elke sticker minder dan $ 2 kost, merkten de onderzoekers op.

“Als we deze technologie kunnen commercialiseren, kunnen we ons voorstellen dat een doos ervan in de toekomst goedkoop verkocht kan worden, net als een doos pleisters”, zegt Gupta. In de toekomst willen de onderzoekers de force-stickers leesbaar maken voor smartphones, waardoor RFID-lezers overbodig worden.

Voor meer informatie kunt u contact opnemen met Liezel Labios op Dit e-mailadres wordt beschermd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien.; 858-246-1124.