Gli adesivi per la misurazione della forza RFID ridefiniscono la misurazione precisa

Due oggetti a contatto eserciteranno una certa forza l'uno sull'altro, che può essere dovuta alla gravità o al contatto meccanico, come il peso dell'oggetto sulla piattaforma o il contatto di due ossa all'articolazione del ginocchio umano. Per misurare questa forza in modo più efficace e conveniente, un team di ricerca dell'Università della California, San Diego ha sviluppato un "adesivo" RFID ultrasottile per la misurazione della forza per aiutare a misurare questi fenomeni.

ForceSticker è stato sviluppato dall'integrazione di due componenti principali: un minuscolo condensatore spesso solo pochi millimetri e grande quanto un chicco di riso e un tag RFID commerciale a frequenza ultra-alta da 900 MHz. I ricercatori hanno integrato i due componenti in modo da poter misurare la forza applicata e trasmettere in modalità wireless le informazioni a un Lettore RFID standard.

Un sottile strato di polimero flessibile viene posizionato tra due strisce di rame conduttive del condensatore per formare il condensatore. Quando una forza esterna agisce sul polimero, questo si comprime, facendo sì che le strisce di rame si avvicinino tra loro, aumentando la carica all'interno del condensatore.

Il design di questo adesivo di misurazione della forza è stato ispirato dall'attenta osservazione delle variazioni di capacità. Quando viene applicata una forza esterna, il polimero si comprime, avvicinando le strisce di rame, aumentando così la capacità. Con questo design, i ricercatori possono valutare le capacità di commutazione del sensore in base a un design ottimizzato dell'intervallo di capacità derivato dalla modellazione matematica RF ed eseguire simulazioni multifisiche in COMSOL.

Nell'applicazione effettiva del ForceSticker, i ricercatori hanno utilizzato due diverse implementazioni di sensori da 4×2 mm con diversi strati di polimero Ecoflex (un polimero biodegradabile a base di silicio catalizzato al platino) e neoprene che coprono intervalli da 0 a 6 N e da 0 a 40 N, gli errori di lettura sono rispettivamente di 0,25 N e 1,6 N. Inoltre, hanno sottoposto il ForceSticker a stress test oltre 10.000 volte e non hanno riscontrato alcuna significativa riduzione degli errori.

Questo tag RFID passivo utilizza la retrodiffusione per la trasmissione di potenza e dati. Riceve il segnale radio in arrivo dal lettore RFID, modifica il segnale tramite cambiamenti elettrici indotti dal condensatore e quindi riflette il segnale modificato sul lettore RFID, che lo interpreta e lo converte in forza. Questo metodo inserisce direttamente la trasformazione di fase RF analogica generata dal sensore nel percorso del canale wireless del tag elettronico RFID, creando un collegamento di retrodiffusione analogico-digitale.

Nel processo di integrazione del sensore, una sfida fondamentale è la progettazione dell'interfaccia del sensore. Per consentire l'integrazione del sensore senza perdere la fedeltà del segnale, i ricercatori hanno utilizzato un approccio di guida d'onda coplanare a impedenza adattata. Inoltre, per ottenere questa regolazione della sensibilità, il condensatore deve avere un "valore nominale" progettato correttamente a forza zero. Ciò è determinato da varie equazioni non lineari che modellano questa situazione, tenendo conto dell'impedenza e del coefficiente di riflessione della linea di trasmissione.

Quando hanno simulato l'interfaccia tra sensori capacitivi e RFID di identificazione digitale, i ricercatori lo hanno fatto inserendo il sensore tra un'antenna e un tag RFID in parallelo con i due. Tuttavia, i ricercatori notano che ci sono due cosiddetti "degenerati" soluzioni (il che significa che almeno una variabile fondamentale è zero). Una delle soluzioni presuppone che tutti i cambiamenti di fase siano riflessi direttamente dal sensore e che nessun segnale raggiunga il Modulo RFID. Un'altra soluzione presuppone che la modalità di commutazione capacitiva del sensore funzioni effettivamente. Entrambe le soluzioni forniscono indicazioni per un'ulteriore ottimizzazione della tecnologia.

Nel complesso, questo team dell'Università della California, San Diego (UCSD) ha dimostrato cosa è possibile nelle innovazioni ingegneristiche sviluppando ForceSticker, un innovativo adesivo per la misurazione della forza. Integrando microcondensatori e tag RFID commerciali, hanno creato un dispositivo che misura la forza applicata e trasmette le informazioni in modalità wireless.

"Gli esseri umani nascono con una capacità innata di percepire la forza," ha affermato Dinesh Bharadia, professore presso la Facoltà di Ingegneria dell'UC San Diego, in una dichiarazione della scuola. "Ciò ci dà la possibilità di interagire senza soluzione di continuità con l'ambiente circostante e consente ai medici di eseguire delicate procedure chirurgiche. . Portare questa capacità di percepire le forze nei dispositivi elettronici e negli impianti medici potrebbe rivoluzionare molti settori."

E questa tecnologia non solo ha il potenziale per applicazioni mediche e industriali, ma può anche essere utilizzata per misurare il peso del fondo dei pacchi di magazzino. Attraverso la continua ricerca e innovazioneation, abbiamo ragione di credere che ci saranno altre innovazioni come questa per migliorare le nostre vite e il nostro lavoro in futuro.