Computer in deiner Kleidung? Ein Meilenstein für tragbare Elektronik
Aug 22, 2018

Forscher, die sich mit der Entwicklung tragbarer Elektronik beschäftigen, haben einen Meilenstein erreicht: Sie können Schaltkreise mit 0,1 mm Präzision in Gewebe einsticken - die perfekte Größe, um elektronische Komponenten wie Sensoren und Computerspeicher in Kleidungsstücke zu integrieren.

Mit diesem Fortschritt haben die Forscher der Ohio State University den nächsten Schritt in Richtung Design von Funktionstextilien gemacht - Kleidung, die digitale Informationen sammelt, speichert oder überträgt. Mit der Weiterentwicklung könnte die Technologie dazu führen, dass T-Shirts als Antennen für Ihr Smartphone oder Tablet dienen, Trainingsbekleidung, die Ihr Fitnessniveau überwacht, Sportgeräte, die die Leistung von Athleten überwachen, ein Verband, der Ihrem Arzt mitteilt, wie gut das darunterliegende Gewebe ist Heilung - oder sogar eine flexible Gewebekappe, die Aktivität im Gehirn spürt.

John Volakis, Direktor des ElectroScience Laboratory im Bundesstaat Ohio, und die Forscherin Asimina Kiourti untersuchen diesen letzten Punkt. Die Idee besteht darin, Hirnimplantate, die zur Behandlung von Zuständen von Epilepsie bis zur Abhängigkeit entwickelt wurden, komfortabler zu machen, indem die Notwendigkeit einer externen Verdrahtung am Körper des Patienten beseitigt wird.

"Eine Revolution findet in der Textilindustrie statt", sagte Volakis, der auch Roy & Lois Chope Chair Professor für Elektrotechnik an der Ohio State University ist. "Wir glauben, dass funktionelle Textilien eine Schlüsseltechnologie für Kommunikation und Sensorik sind und eines Tages sogar medizinische Anwendungen wie Bildgebung und Gesundheitsüberwachung."

Kürzlich haben er und Kiourti ihre patentierte Herstellungsmethode verfeinert, um Prototyp-Wearables zu einem Bruchteil der Kosten und in der Hälfte der Zeit zu erstellen, wie sie es vor nur zwei Jahren konnten. Mit neuen angemeldeten Patenten veröffentlichten sie die neuen Ergebnisse in der Zeitschrift IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters.

Im Volakis-Labor entstehen die Funktionstextilien, auch "E-Textilien" genannt, zum Teil auf einer typischen Tisch-Nähmaschine, die Stoff- und Hobby-Handwerker zu Hause haben. Wie andere moderne Nähmaschinen stickt es Faden automatisch in Gewebe, basierend auf einem Muster, das über eine Computerdatei geladen wird. Die Forscher ersetzen den Faden durch feine silberne Metalldrähte, die sich, sobald sie bestickt sind, wie traditionelle Fäden anfühlen.

"Wir haben mit einer Technologie begonnen, die sehr gut bekannt ist - Maschinenstickerei - und wir haben gefragt, wie wir bestickte Formen funktionalisieren können. Wie bringen wir sie dazu, Signale mit nützlichen Frequenzen zu senden, wie für Handys oder Gesundheitssensoren? ", Sagte Volakis. "Jetzt haben wir zum ersten Mal die Genauigkeit gedruckter Metallleiterplatten erreicht. Unser neues Ziel ist es daher, die Präzision zu nutzen, um Empfänger und andere elektronische Komponenten zu integrieren."

Die Form der Stickerei bestimmt die Häufigkeit des Betriebs der Antenne oder Schaltung, erklärte Kiourti.

Zum Beispiel besteht die Form einer Breitbandantenne aus mehr als einem halben Dutzend ineinandergreifender geometrischer Formen, die jeweils ein wenig größer als ein Fingernagel sind und einen komplizierten Kreis von wenigen Zentimetern Durchmesser bilden. Jedes Teil des Kreises überträgt Energie auf einer anderen Frequenz, so dass sie ein breites Spektrum an Energien abdecken, wenn sie zusammen arbeiten - daher die "Breitband" -Fähigkeit der Antenne für Mobiltelefon und Internetzugang.

"Form bestimmt die Funktion", sagte sie. "Und Sie wissen nie wirklich, welche Form Sie von einer Anwendung zur nächsten benötigen. Also wollten wir eine Technologie haben, die jede Form für jede Anwendung sticken kann. "

Das ursprüngliche Ziel der Forscher, fügte Kiourti hinzu, bestand darin, die Präzision der Stickerei so weit wie möglich zu erhöhen, was die Arbeit mit feinem Silberdraht erforderte. Aber das erzeugte ein Problem dahingehend, dass feine Drähte nicht so viel Oberflächenleitfähigkeit bereitstellen konnten wie dicke Drähte. Sie mussten also einen Weg finden, den feinen Faden in Stickdichten und -formen zu verarbeiten, die die Oberflächenleitfähigkeit und damit die Antennen- / Sensorleistung verstärken würden.

Zuvor hatten die Forscher einen silberbeschichteten Polymerfaden mit einem Durchmesser von 0,5 mm verwendet, wobei jeder Faden aus 600 noch feineren Filamenten besteht, die miteinander verdreht sind. Die neuen Fäden haben einen Durchmesser von 0,1 mm und bestehen aus nur sieben Fäden. Jedes Filament ist in der Mitte Kupfer, emailliert mit reinem Silber.

Sie kaufen den Draht an der Spule zu einem Preis von 3 Cent pro Fuß; Kourtiti schätzt, dass das Besticken einer einzelnen Breitbandantenne wie der oben genannten ungefähr 10 Fuß Garn kostet, für Materialkosten von ungefähr 30 Cent pro Antenne. Das sind 24 Mal weniger als im Jahr 2014, als Volakis und Kiourti ähnliche Antennen bauten.

Die Kosteneinsparungen ergeben sich teilweise aus der Verwendung von weniger Fäden pro Stickerei. Früher mussten die Forscher den dickeren Faden in zwei Lagen übereinander stapeln, damit die Antenne ein ausreichend starkes elektrisches Signal trägt. Aber durch die Verfeinerung der von ihr und Volakis entwickelten Technik konnte Kiourti die neuen, hochpräzisen Antennen in nur einer gestickten Schicht des feineren Fadens herstellen. Jetzt dauert der Vorgang die Hälfte der Zeit: nur etwa 15 Minuten für die oben genannte Breitbandantenne.

Sie hat auch einige Techniken integriert, die in der Mikroelektronikherstellung üblich sind, um gestickte Antennen und Schaltkreise mit Teilen zu versehen.

Eine Prototyp-Antenne sieht wie eine Spirale aus und kann in Kleidung gestickt werden, um den Empfang von Mobiltelefon-Signalen zu verbessern. Ein weiterer Prototyp, eine dehnbare Antenne mit integriertem RFID-Chip (Radio-Frequency Identification), die in Gummi eingebettet ist, deckt die Anwendungen für die Technologie jenseits von Kleidung ab. (Das letztere Objekt war Teil einer für einen Reifenhersteller durchgeführten Studie.)

Eine weitere Schaltung ähnelt dem Ohio State Block "O" -Logo, mit nicht leitendem scharlachroten und grauen Faden, der zwischen den Silberdrähten gestickt ist ", um zu zeigen, dass e-Textilien sowohl dekorativ als auch funktional sein können", sagte Kiourti.

Sie können dekorativ sein, aber die gestickten Antennen und Schaltungen funktionieren tatsächlich. Tests zeigten, dass eine gestickte Spiralantenne ungefähr sechs Zoll über die übertragenen Signale bei Frequenzen von 1 bis 5 GHz mit nahezu perfekter Effizienz misst. Die Leistung deutet darauf hin, dass die Spirale gut für Breitband-Internet und Mobilfunk geeignet wäre.

Mit anderen Worten, das Hemd auf Ihrem Rücken könnte dazu beitragen, den Empfang des Smartphones oder Tablets, das Sie gerade tragen, zu verbessern - oder Signale an Ihre Geräte senden, die Daten zur Gesundheit oder sportlichen Leistung enthalten.

Die Arbeit fügt sich gut in die Rolle von Ohio State als Gründungspartner des Advanced Functional Fabrics of America Institute ein, einem nationalen Produktionsressourcenzentrum für Industrie und Regierung. Das neue Institut, an dem rund 50 Universitäten und Industriepartner teilnehmen, wurde Anfang dieses Monats von US-Verteidigungsminister Ashton Carter angekündigt.

Syscom Advanced Materials in Columbus lieferte die in den ersten Arbeiten von Volakis und Kiourti verwendeten Themen. Die in dieser Studie verwendeten feineren Fäden wurden vom Schweizer Hersteller Elektrisola bezogen. Die Forschung wird von der National Science Foundation finanziert, und Ohio State wird die Technologie für die weitere Entwicklung lizenzieren.

Bis dahin erstellt Volakis eine Einkaufsliste für die nächste Phase des Projekts.

"Wir wollen eine größere Nähmaschine", sagte er.

Der Originalartikel stammt von iconnect007