VIDEO: Naljepnica mjeri silu između objekata

Inženjeri sa Sveučilišta San Diego razvili su elektroničke "naljepnice" koje mjere silu kojom jedan objekt djeluje na drugi. ForceSticker naljepnice su bežične, rade bez baterija i mogu se postavljati u uske prostore poput praznine između zgloba i protetskog implantata. To ih čini svestranim za širok raspon primjena.

Mogli bi se koristiti, na primjer, u implantatima koljena za mjerenje sila kojima implantati djeluju na zglob. Sposobnost razlikovanja promjena u tim silama može biti korisna za praćenje pristajanja implantata, kao i trošenja. ForceSticker naljepnice također se mogu staviti na dno skladišnih paketa za mjerenje težine njihovog sadržaja, djelujući kao minijaturne vage za provjeru inventara.

"ForceSticker naljepnice mogle bi tehnologiju učiniti inteligentnijom, interaktivnijom i intuitivnijom", rekao je Dinesh Bharadia, profesor elektrotehnike i računalnog inženjerstva na UC San Diego Jacobs School of Engineering. "Ljudi, po prirodi, posjeduju urođenu sposobnost da osjete silu. To nam omogućuje besprijekornu interakciju s okolinom i omogućuje kliničarima izvođenje delikatnih kirurških zahvata. Pružanje ove sposobnosti osjetila sile elektroničkim uređajima i medicinskim implantatima moglo bi promijeniti pravila igre za mnoge industrije."

ForceSticker naljepnice sastoje se od dvije glavne komponente. Jedna je maleni kondenzator koji je tanak samo nekoliko milimetara i veličine je zrna riže. Druga komponenta je naljepnica za radiofrekvencijsku identifikaciju (RFID), koja funkcionira poput barkoda koji se može čitati bežično pomoću radio signala. Istraživači su pronašli pametan način za integraciju ovih dviju komponenti zajedno tako da mogu izmjeriti silu koju primjenjuje predmet i bežično prenijeti tu informaciju RFID čitaču, kao što možete vidjeti u ovom videu.

Kondenzator je izrađen od mekane polimerne ploče u sendviču između dvije vodljive bakrene trake. Kada se primijeni vanjska sila, polimer se sabija, približavajući bakrene trake jedna drugoj, čime se povećava električni naboj u kondenzatoru.

Ovo povećanje električnog naboja kao rezultat primijenjene sile ključno je, jer stvara promjene u signalu koji prenosi RFID naljepnica. RFID čitač daljinski mjeri te promjene i prevodi ih u određenu veličinu primijenjene sile. Ova posebna tehnika stvaranja promjena u RFID signalu omogućuje minijaturizaciju komponenti unutar naljepnice. Za usporedbu, prethodne metode za stvaranje promjena u RFID signalu zahtijevale su komponente koje su tisuću puta veće.

RFID naljepnica radi na iznimno maloj energiji odašiljanjem radio signala putem tehnike koja se zove povratno raspršivanje. Uzima dolazne radijske signale od RFID čitača, modificira signale putem električnih promjena izazvanih kondenzatorom, a zatim reflektira modificirane signale natrag u čitač, koji ih dešifrira i prevodi u primijenjenu silu.

"Dizajn je stvarno jednostavan s minimalnom količinom elektronike", rekao je prvi autor studije Agrim Gupta, doktor elektrotehnike i računalnog inženjerstva.

Još jedna značajka dizajna je da se kondenzator može prilagoditi za različite raspone sile. Zamjenom polimernog sloja s mekšim ili čvršćim, kondenzator se može prilagoditi za mjerenje manjih odnosno većih sila.

Za demonstraciju, istraživači su izradili i testirali dvije vrste naljepnica sile. Na jednoj naljepnici, kondenzator je napravljen od super mekanog polimera za mjerenje manjih sila, što ga čini prikladnim za upotrebu u eksperimentima na modelu koljenskog zgloba. Postavljena unutar zgloba, ForceSticker naljepnica točno je mjerila različite primijenjene sile dok su istraživači gurali zglob. Druga naljepnica, u kojoj je kondenzator napravljen od čvršćeg polimera, ispitana je u eksperimentu pakiranja u skladištu. Pričvršćen na donju stranu kutije, točno je mjerio težinu različitih količina predmeta koji su stavljeni u kutiju.

Na testovima su naljepnice bile izuzetno izdržljive. Izdržale su više od 10.000 primjena sile i ostali dosljedno točne. Osim toga, mogu se proizvesti po niskoj cijeni, jer svaka košta manje od 2 dolara.

Idući dalje, istraživači imaju za cilj učiniti naljepnice čitljivima pametnim telefonima, što bi eliminiralo potrebu za RFID čitačima.

Studiju predstavljenu na UbiComp 2023 konferenciji u Meksiku možete pronaći na ovoj poveznici.