Τα αυτοκόλλητα μέτρησης δύναμης RFID επαναπροσδιορίζουν την ακριβή μέτρηση

Οποιαδήποτε δύο αντικείμενα σε επαφή θα ασκήσουν μια ορισμένη δύναμη το ένα στο άλλο, η οποία μπορεί να οφείλεται στη βαρύτητα ή στη μηχανική επαφή, όπως το βάρος του αντικειμένου στην πλατφόρμα ή η επαφή δύο οστών στην άρθρωση του ανθρώπινου γόνατος. Προκειμένου να μετρηθεί αυτή η δύναμη πιο αποτελεσματικά και βολικά, μια ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο ανέπτυξε μια εξαιρετικά λεπτή μέτρηση δύναμης RFID "αυτοκόλλητο" να βοηθήσει στη μέτρηση αυτών των φαινομένων.

Το ForceSticker αναπτύχθηκε από την ενσωμάτωση δύο κύριων εξαρτημάτων: ενός μικροσκοπικού πυκνωτή πάχους μόλις λίγων χιλιοστών και μεγέθους περίπου ενός κόκκου ρυζιού και μιας εμπορικής ετικέτας RFID εξαιρετικά υψηλής συχνότητας 900 MHz. Οι ερευνητές ενσωμάτωσαν τα δύο στοιχεία έτσι ώστε να μπορούν να μετρήσουν την εφαρμοζόμενη δύναμη και να μεταδώσουν ασύρματα τις πληροφορίες σε μια τυπική συσκευή ανάγνωσης RFID.

Ένα λεπτό στρώμα εύκαμπτου πολυμερούς τοποθετείται ανάμεσα σε δύο αγώγιμες χάλκινες λωρίδες του πυκνωτή για να σχηματιστεί ο πυκνωτής. Όταν μια εξωτερική δύναμη δρα στο πολυμερές, αυτό συμπιέζει, προκαλώντας τις χάλκινες λωρίδες να πλησιάσουν μεταξύ τους, αυξάνοντας το φορτίο εντός του πυκνωτή.

Ο σχεδιασμός αυτού του αυτοκόλλητου μέτρησης δύναμης εμπνεύστηκε από την έντονη παρατήρηση των αλλαγών στην χωρητικότητα. Όταν εφαρμόζεται εξωτερική δύναμη, το πολυμερές συμπιέζει, τραβώντας τις χάλκινες λωρίδες πιο κοντά μεταξύ τους, αυξάνοντας έτσι την χωρητικότητα. Με αυτόν τον σχεδιασμό, οι ερευνητές μπορούν να αξιολογήσουν τις δυνατότητες μεταγωγής του αισθητήρα με βάση μια βελτιστοποιημένη σχεδίαση εύρους χωρητικότητας που προέρχεται από μαθηματική μοντελοποίηση ραδιοσυχνοτήτων και να εκτελούν προσομοιώσεις πολυφυσικής στην COMSOL.

Στην πραγματική εφαρμογή του ForceSticker, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν δύο διαφορετικές υλοποιήσεις αισθητήρων 4 × 2 mm με διαφορετικά στρώματα πολυμερούς Ecoflex (ένα βιοαποδομήσιμο πολυμερές πυριτίου που καταλύεται από πλατίνα) και νεοπρένιο που καλύπτει περιοχές 0 έως 6 N και 0 έως 40 N. τα σφάλματα ανάγνωσης είναι 0,25 N και 1,6 N αντίστοιχα. Επιπλέον, δοκίμασαν άγχος το ForceSticker πάνω από 10.000 φορές και δεν βρήκαν σημαντική μείωση σφαλμάτων.

Αυτή η παθητική ετικέτα RFID χρησιμοποιεί backscatter για μετάδοση ισχύος και δεδομένων. Λαμβάνει το εισερχόμενο ραδιοφωνικό σήμα από τον αναγνώστη RFID, τροποποιεί το σήμα μέσω ηλεκτρικών αλλαγών που προκαλούνται από τον πυκνωτή και στη συνέχεια αντανακλά το τροποποιημένο σήμα πίσω στον αναγνώστη RFID, ο οποίος το ερμηνεύει και το μετατρέπει σε ισχύ. Αυτή η μέθοδος εισάγει απευθείας τον αναλογικό μετασχηματισμό φάσης RF που δημιουργείται από τον αισθητήρα στη διαδρομή του ασύρματου καναλιού της ηλεκτρονικής ετικέτας RFID, δημιουργώντας μια αναλογική προς ψηφιακή σύνδεση οπισθοσκέδασης.

Στη διαδικασία επίτευξης ολοκλήρωσης αισθητήρα, μια βασική πρόκληση είναι ο σχεδιασμός της διεπαφής του αισθητήρα. Για να καταστεί δυνατή η ενσωμάτωση του αισθητήρα χωρίς απώλεια της πιστότητας του σήματος, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια προσέγγιση ομοεπίπεδου κυματοδηγού αντιστοιχισμένης σύνθετης αντίστασης. Επιπλέον, για να επιτευχθεί αυτός ο συντονισμός ευαισθησίας, ο πυκνωτής πρέπει να έχει μια σωστά σχεδιασμένη "ονομαστική τιμή". σε μηδενική δύναμη. Αυτό καθορίζεται από διάφορες μη γραμμικές εξισώσεις που μοντελοποιούν αυτήν την κατάσταση, λαμβάνοντας υπόψη την σύνθετη αντίσταση και τον συντελεστή ανάκλασης της γραμμής μεταφοράς.

Κατά την προσομοίωση της διεπαφής μεταξύ χωρητικών αισθητήρων και ψηφιακής αναγνώρισης RFID, οι ερευνητές το έκαναν εισάγοντας τον αισθητήρα μεταξύ μιας κεραίας και μιας ετικέτας RFID παράλληλα με τα δύο. Ωστόσο, οι ερευνητές σημειώνουν ότι υπάρχουν δύο τα λεγόμενα «εκφυλισμένα»; λύσεις (που σημαίνει ότι τουλάχιστον μία θεμελιώδης μεταβλητή είναι μηδέν). Μία από τις λύσεις προϋποθέτει ότι όλες οι αλλαγές φάσης αντανακλώνται απευθείας από τον αισθητήρα και κανένα σήμα δεν φτάνει στη μονάδα RFID. Μια άλλη λύση προϋποθέτει ότι η λειτουργία χωρητικής μεταγωγής του αισθητήρα λειτουργεί πραγματικά. Και οι δύο λύσεις παρέχουν καθοδήγηση για περαιτέρω βελτιστοποίηση της τεχνολογίας.

Συνολικά, αυτή η ομάδα στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο (UCSD) έχει αποδείξει τι είναι δυνατό στις τεχνολογικές ανακαλύψεις αναπτύσσοντας το ForceSticker, ένα καινοτόμο αυτοκόλλητο μέτρησης δύναμης. Ενσωματώνοντας μικροπυκνωτές και εμπορικές ετικέτες RFID, δημιούργησαν μια συσκευή που μετρά την εφαρμοζόμενη δύναμη και μεταδίδει τις πληροφορίες ασύρματα.

«Οι άνθρωποι γεννιούνται με μια εγγενή ικανότητα να αισθάνονται τη δύναμη», Ο Dinesh Bharadia, καθηγητής στη Σχολή Μηχανικών του UC San Diego, δήλωσε σε δήλωση από το σχολείο. "Αυτό μας δίνει τη δυνατότητα να αλληλεπιδρούμε απρόσκοπτα με το περιβάλλον μας και επιτρέπει στους κλινικούς γιατρούς να εκτελούν λεπτές χειρουργικές επεμβάσεις. .Η μεταφορά αυτής της ικανότητας αίσθησης των δυνάμεων σε ηλεκτρονικές συσκευές και ιατρικά εμφυτεύματα θα μπορούσε να φέρει επανάσταση σε πολλές βιομηχανίες."

Και αυτή η τεχνολογία όχι μόνο έχει τη δυνατότητα για ιατρικές και βιομηχανικές εφαρμογές, αλλά μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση του βάρους του πάτου των συσκευασιών αποθήκης. Μέσα από συνεχή έρευνα και καινοτομίαέχουμε λόγους να πιστεύουμε ότι θα υπάρξουν περισσότερες ανακαλύψεις όπως αυτή για τη βελτίωση της ζωής και της εργασίας μας στο μέλλον.