Naklejki RFID do pomiaru siły na nowo definiują precyzyjny pomiar

Dwa obiekty w kontakcie będą wywierać na siebie pewną siłę, która może wynikać z grawitacji lub kontaktu mechanicznego, takiego jak ciężar obiektu na platformie lub kontakt dwóch kości w stawie kolanowym człowieka. Aby mierzyć tę siłę bardziej efektywnie i wygodnie, zespół badawczy z University of California w San Diego opracował ultracienką „naklejkę” do pomiaru siły RFID, która ma pomóc w pomiarze tych zjawisk.

ForceSticker został opracowany na podstawie integracji dwóch głównych komponentów: maleńkiego kondensatora o grubości zaledwie kilku milimetrów i wielkości ziarenka ryżu oraz komercyjnego znacznika RFID o ultrawysokiej częstotliwości 900 MHz. Naukowcy zintegrowali te dwa komponenty, aby mogli zmierzyć przyłożoną siłę i bezprzewodowo przesłać informacje do standardowego czytnika RFID.

Cienka warstwa elastycznego polimeru jest umieszczana między dwoma przewodzącymi paskami miedzianymi kondensatora, aby utworzyć kondensator. Gdy na polimer działa siła zewnętrzna, ulega on ściśnięciu, powodując zbliżenie się pasków miedzianych, co zwiększa ładunek w kondensatorze.

Projekt tej naklejki mierzącej siłę został zainspirowany wnikliwą obserwacją zmian pojemności. Gdy zostanie przyłożona siła zewnętrzna, polimer ulega ściśnięciu, przyciągając paski miedziane bliżej siebie, co zwiększa pojemność. Dzięki tej konstrukcji naukowcy mogą ocenić możliwości przełączania czujnika w oparciu o zoptymalizowany projekt zakresu pojemności uzyskany z matematycznego modelowania RF i przeprowadzić symulacje multifizyczne w COMSOL.

W rzeczywistym zastosowaniu ForceSticker, badacze użyli dwóch różnych implementacji czujników 4×2 mm z różnymi warstwami polimeru Ecoflex (biodegradowalnego polimeru na bazie krzemu katalizowanego platyną) i neoprenu pokrywającego zakresy od 0 do 6 N i od 0 do 40 N, błędy odczytu wynoszą odpowiednio 0,25 N i 1,6 N. Dodatkowo, przeprowadzili testy wytrzymałościowe ForceSticker ponad 10 000 razy i nie stwierdzili znaczącej redukcji błędów.

Ten pasywny Znacznik RFID wykorzystuje rozproszenie wsteczne do przesyłu mocy i danych. Odbiera przychodzący sygnał radiowy z czytnika RFID, modyfikuje sygnał poprzez zmiany elektryczne wywołane przez kondensator, a następnie odbija zmodyfikowany sygnał z powrotem do czytnika RFID, który interpretuje go i przekształca w siłę. Ta metoda bezpośrednio wprowadza analogową transformację fazową RF generowaną przez czujnik do ścieżki kanału bezprzewodowego elektronicznego znacznika RFID, tworząc analogowo-cyfrowe łącze rozproszenia wstecznego.

W procesie osiągania integracji czujnika kluczowym wyzwaniem jest zaprojektowanie interfejsu czujnika. Aby umożliwić integrację czujnika bez utraty wierności sygnału, naukowcy zastosowali podejście falowodu koplanarnego o dopasowanej impedancji. Ponadto, aby uzyskać to dostrojenie czułości, kondensator musi mieć prawidłowo zaprojektowaną „wartość nominalną” przy zerowej sile. Jest to określane przez różne równania nieliniowe, które modelują tę sytuację, biorąc pod uwagę impedancję i współczynnik odbicia linii transmisyjnej.

Podczas symulacji interfejsu między czujnikami pojemnościowymi a identyfikacją cyfrową RFID, naukowcy zrobili to, wstawiając czujnik między antenę a znacznik RFID równolegle do obu. Jednak badacze zauważają, że istnieją dwa tak zwane „zdegenerowane” rozwiązania (co oznacza, że przynajmniej jedna zmienna fundamentalna jest równa zero). Jedno z rozwiązań zakłada, że wszystkie zmiany fazowe są odbijane bezpośrednio od czujnika i żaden sygnał nie dociera do modułu RFID. Inne rozwiązanie zakłada, że pojemnościowy tryb przełączania czujnika faktycznie działa. Oba rozwiązania dostarczają wskazówek do dalszej optymalizacji technologii.

Ogólnie rzecz biorąc, ten zespół z University of California w San Diego (UCSD) zademonstrował, co jest możliwe w przełomach inżynieryjnych, opracowując ForceSticker, innowacyjną naklejkę mierzącą siłę. Poprzez integrację mikrokondensatorów i komercyjnych tagów RFID stworzyli urządzenie, które mierzy przyłożoną siłę i przesyła informacje bezprzewodowo.

„Ludzie rodzą się z wrodzoną zdolnością do wyczuwania siły” Dinesh Bharadia, profesor z Wydziału Inżynierii Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, powiedział w oświadczeniu szkoły. „Dzięki temu możemy bezproblemowo współdziałać z otoczeniem i umożliwiać lekarzom wykonywanie delikatnych zabiegów chirurgicznych. Wprowadzenie tej zdolności do wykrywania sił do urządzeń elektronicznych i implantów medycznych może zrewolucjonizować wiele branż”.

Technologia ta ma nie tylko potencjał do zastosowań medycznych i przemysłowych, ale może być również wykorzystywana do pomiaru ciężaru dna paczek magazynowych. Dzięki ciągłym badaniom i innowacjomacji, mamy powody sądzić, że w przyszłości będzie więcej takich przełomów, które poprawią nasze życie i pracę.