أجهزة الكمبيوتر في ملابسك؟ معلما للالكترونيات يمكن ارتداؤها
Aug 22, 2018

بلغ الباحثون الذين يعملون على تطوير إلكترونيات قابلة للارتداء علامة بارزة: فهم قادرون على تطويق الدوائر إلى نسيج بدقة 0.1 مم - الحجم المثالي لدمج المكونات الإلكترونية مثل أجهزة الاستشعار وأجهزة ذاكرة الكمبيوتر في الملابس.

مع هذا التقدم ، اتخذ الباحثون في جامعة ولاية أوهايو الخطوة التالية نحو تصميم المنسوجات الوظيفية - الملابس التي تجمع أو تخزن أو تنقل معلومات رقمية. مع مزيد من التطوير ، يمكن أن تؤدي التكنولوجيا إلى قمصان تعمل بمثابة هوائيات لهاتفك الذكي أو جهازك اللوحي ، ملابس تجريب تراقب مستوى لياقتك البدنية ، معدات رياضية تراقب أداء الرياضيين ، ضمادة تخبر طبيبك عن مدى جودة النسيج الموجود تحته. الشفاء - أو حتى غطاء قماش مرن يستشعر النشاط في الدماغ.

هذا العنصر الأخير هو الذي أختبره جون فولاكيس ، مدير مختبر ElectroScience في ولاية أوهايو ، وعالمة البحث Asimina Kiourti. وتتمثل الفكرة في جعل عمليات زرع الدماغ ، والتي هي قيد التطوير لعلاج الحالات من الصرع إلى الإدمان ، أكثر راحة من خلال القضاء على الحاجة إلى الأسلاك الخارجية على جسم المريض.

"هناك ثورة تحدث في صناعة النسيج" ، قال فولاكيس ، وهو أيضاً أستاذ كرسي الهندسة الكهربائية روه ولويس تشوبي في ولاية أوهايو. "نحن نعتقد أن المنسوجات الوظيفية هي تقنية تمكينية للاتصالات والاستشعار - وحتى يوم واحد حتى التطبيقات الطبية مثل التصوير والمراقبة الصحية."

في الآونة الأخيرة ، قام هو وكيورتي بتكرير طريقة تصنيعها الحاصلة على براءة اختراع لإنشاء نماذج قابلة للارتداء في جزء صغير من التكلفة وفي نصف الوقت كما كان قبل عامين فقط. مع براءات الاختراع الجديدة المعلقة ، قاموا بنشر النتائج الجديدة في مجلة IEEE Antennas و Wireless Propagation Letters.

في مختبر فولاكيس ، يتم إنتاج المنسوجات الوظيفية ، التي تُعرف أيضًا باسم "المنسوجات الإلكترونية" ، جزئياً على آلة خياطة تقليدية منضدية - وهو النوع الذي يمكن أن يمتلكه الحرفيون النسيجيون والهواة في المنزل. مثل آلات الخياطة الحديثة الأخرى ، فإنه يطرز الخيط في النسيج تلقائيا على أساس نمط تحميلها عبر ملف الكمبيوتر. يستبدل الباحثون الخيط بأسلاك معدنية فضية رفيعة ، والتي كانت تبدو مطرزة في الماضي وكأنها خيط تقليدي على اللمس.

"لقد بدأنا بتكنولوجيا معروفة جدًا - تطريز آلي - وسألنا ، كيف يمكننا استخدام الأشكال المطرزة؟ كيف نجعلهم ينقلون الإشارات على ترددات مفيدة ، مثل الهواتف المحمولة أو أجهزة الاستشعار الصحية؟ ”قال فولاكيس. "الآن ، وللمرة الأولى ، حققنا دقة لوحات الدوائر المطبوعة المعدنية ، لذلك هدفنا الجديد هو الاستفادة من الدقة لدمج المستقبلات والمكونات الإلكترونية الأخرى."

ويوضح كيورتي أن شكل التطريز يحدد تردد تشغيل الهوائي أو الدائرة.

فعلى سبيل المثال ، يتكون شكل هوائي واحد عريض النطاق ، من أكثر من نصف أشكال هندسية متشابكة ، كل منها أكبر بقليل من الظفر ، تشكل دائرة معقدة على بعد بضع بوصات. تنقل كل قطعة من الدائرة الطاقة على تردد مختلف ، بحيث تغطي طيفًا واسعًا من الطاقات عند العمل معًا - ومن هنا تأتي قدرة "النطاق العريض" للهوائي على الهاتف الخلوي والوصول إلى الإنترنت.

قالت: "الشكل يحدد الوظيفة". "وأنت لا تعرف أبدًا الشكل الذي ستحتاجه من تطبيق إلى آخر. لذا أردنا الحصول على تقنية يمكن أن تبرز أي شكل لأي تطبيق. "

وأضاف كيورتي أن الهدف الأولي للباحثين هو زيادة دقة التطريز بأكبر قدر ممكن ، مما استلزم العمل بسلك فضي رفيع. ولكن هذا خلق مشكلة ، في أن الأسلاك الدقيقة لا يمكن أن توفر الكثير من التوصيل السطحي مثل الأسلاك السميكة. لذلك كان عليهم أن يجدوا طريقة لعمل الخيط الرفيع في كثافات التطريز والأشكال التي من شأنها أن تعزز الموصلية السطحية وبالتالي أداء الهوائي / المستشعر.

في السابق ، كان الباحثون يستخدمون خيط بوليمري مغلف بالفضة بقطر 0.5 مم ، كل خيط يتكون من 600 شعيرة أدق ملتوية مع بعضها. الخيوط الجديدة لها قطر 0.1 مم ، مصنوعة من سبعة خيوط فقط. كل خيط هو النحاس في المركز ، مطلى بالفضة النقية.

يشترون السلك بواسطة البكرة بتكلفة 3 سنتات لكل قدم ؛ قدرت كيورتي أن تطريز هوائي عريض النطاق واحد مثل الذي ذكر أعلاه يستهلك حوالي 10 أقدام من الخيط ، بتكلفة مادية تبلغ حوالي 30 سنتًا لكل هوائي. وهذا أقل 24 مرة من الوقت الذي صنع فيه فولاكيس وكيورتي هوائيات مماثلة في عام 2014.

في جزء ، وفورات في التكاليف يأتي من استخدام أقل موضوع في التطريز. واضطر الباحثون في السابق إلى تكديس الخيط السميك في طبقتين ، أحدهما فوق الآخر ، لجعل الهوائي يحمل إشارة كهربائية قوية بما فيه الكفاية. ولكن من خلال تحسين التقنية التي طورتها هي وفولاكيس ، استطاع كيورتي إنشاء الهوائيات الجديدة عالية الدقة في طبقة واحدة مطرزة من خيط رفيع. لذلك تستغرق العملية الآن نصف الوقت: 15 دقيقة فقط للهوائي عريض النطاق المذكور أعلاه.

كما أدرجت بعض التقنيات الشائعة لتصنيع الإلكترونيات الدقيقة لإضافة أجزاء إلى هوائيات ودوائر مطرزة.

هوائي واحد النموذج الأول يشبه دوامة ، ويمكن أن تكون مطرزة في الملابس لتحسين استقبال إشارة الهاتف الخليوي. وهناك نموذج أولي آخر وهو هوائي قابل للمطّ مع رقاقة RFID (تحديد التردد الراديوي) المدمجة المدمجة في المطاط ، ويأخذ التطبيقات للتكنولوجيا التي تتجاوز الملابس. (كان الجزء الأخير جزءًا من دراسة أجريت لشركة تصنيع الإطارات).

ومع ذلك ، تشبه دائرة أخرى شعار أوهايو بلوك "O" ، مع لون قرمزي غير موصل وخيط رمادي مطرّز بين الأسلاك الفضية "لإثبات أن المنسوجات الإلكترونية يمكن أن تكون زخرفية وعملية على حد سواء" ، قال كيورتي.

قد تكون مزينة ، ولكن الهوائيات والدوائر المطرزة تعمل في الواقع. أظهرت الاختبارات أن هوائيًا حلزونيًا مطرزًا يبلغ طوله ست بوصات تقريبًا عبر الإشارات المرسلة عند ترددات من 1 إلى 5 جيجاهرتز مع كفاءة شبه مثالية. يشير الأداء إلى أن الحلزوني سيكون مناسبًا تمامًا للإنترنت عريض النطاق والاتصالات الخلوية.

بعبارة أخرى ، يمكن أن يساعد القميص على ظهرك في تعزيز استقبال الهاتف الذكي أو الجهاز اللوحي الذي تحتجزه - أو إرسال إشارات إلى أجهزتك مع بيانات الأداء الصحي أو الرياضي.

يتناسب العمل بشكل جيد مع دور ولاية أوهايو كشريك مؤسس للمعهد المتقدم للأقمشة الوظيفية الأمريكية ، وهو مركز وطني لتصنيع المواد الصناعية والصناعة. وقد أعلن وزير الدفاع الأمريكي أشتون كارتر في وقت سابق من هذا الشهر عن المعهد الجديد الذي ينضم إلى نحو 50 جامعة وشريك صناعي.

قدمت Syscom Advanced Materials في كولومبوس المواضيع المستخدمة في العمل الأولي لفولاكيس وكيورتي. تم شراؤها المواضيع أفضل المستخدمة في هذه الدراسة من الشركة المصنعة السويسرية Elektrisola. يتم تمويل البحث من قبل مؤسسة العلوم الوطنية ، وستقوم ولاية أوهايو بترخيص التكنولوجيا لمزيد من التطوير.

حتى ذلك الحين ، يقوم فولاكيس بإعداد قائمة تسوق للمرحلة التالية من المشروع.

وقال: "نريد آلة خياطة أكبر."

المادة الأصلية تأتي من iconnect007