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Computer nei tuoi vestiti? Una pietra miliare per l'elettronica indossabile
Aug 22, 2018

I ricercatori che stanno lavorando per sviluppare l'elettronica indossabile hanno raggiunto una pietra miliare: sono in grado di ricamare circuiti in tessuto con precisione di 0,1 mm - la dimensione perfetta per integrare componenti elettronici come sensori e dispositivi di memoria del computer in vestiti.

Con questo avanzamento, i ricercatori dell'Ohio State University hanno compiuto il passo successivo verso la progettazione di tessuti funzionali, vestiti che raccolgono, archiviano o trasmettono informazioni digitali. Con un ulteriore sviluppo, la tecnologia potrebbe portare a camicie che fungono da antenne per il tuo smartphone o tablet, vestiti da allenamento che monitorano il tuo livello di fitness, attrezzature sportive che monitorano le prestazioni degli atleti, una fasciatura che dice al tuo medico quanto bene il tessuto sottostante è guarigione, o anche un cappuccio di tessuto flessibile che rileva l'attività nel cervello.

L'ultimo oggetto è quello che stanno indagando John Volakis, direttore del Laboratorio ElectroScience dello stato dell'Ohio, e lo scienziato Asimina Kiourti. L'idea è di creare impianti cerebrali, che sono in fase di sviluppo per trattare le condizioni dall'epilessia alla dipendenza, più a proprio agio eliminando la necessità di cablaggio esterno sul corpo del paziente.

"Una rivoluzione sta avvenendo nel settore tessile", ha detto Volakis, che è anche il professore di ingegneria elettrica Roy & Lois Chope presso l'Ohio State. "Riteniamo che i tessuti funzionali siano una tecnologia abilitante per le comunicazioni e il rilevamento e un giorno persino applicazioni mediche come il monitoraggio delle immagini e della salute".

Di recente, lui e Kiourti hanno perfezionato il loro metodo di fabbricazione brevettato per creare prototipi indossabili ad una frazione del costo e in metà tempo, come potevano fare solo due anni fa. Con i nuovi brevetti in sospeso, hanno pubblicato i nuovi risultati sulla rivista IEEE Antenne e Wireless Propagation Letters.

Nel laboratorio di Volakis, i tessuti funzionali, chiamati anche "e-textiles", sono creati in parte su una tipica macchina da cucire da tavolo, il tipo che gli artigiani e gli hobbisti possono avere a casa. Come altre moderne macchine da cucire, ricama automaticamente il filo in tessuto in base a un modello caricato tramite un file del computer. I ricercatori sostituiscono il filo con sottili fili di metallo argentato che, una volta ricamati, si sentono come fili tradizionali al tatto.

"Abbiamo iniziato con una tecnologia molto nota, il ricamo a macchina, e abbiamo chiesto, come possiamo rendere funzionali le forme ricamate? Come possiamo farli trasmettere segnali a frequenze utili, come telefoni cellulari o sensori di salute? "Ha detto Volakis. "Ora, per la prima volta, abbiamo raggiunto la precisione dei circuiti stampati in metallo, quindi il nostro nuovo obiettivo è sfruttare la precisione per incorporare ricevitori e altri componenti elettronici."

La forma del ricamo determina la frequenza di funzionamento dell'antenna o del circuito, ha spiegato Kiourti.

La forma di un'antenna a banda larga, ad esempio, consiste di oltre una mezza dozzina di forme geometriche ad incastro, ognuna un po 'più grande di un'unghia, che forma un cerchio complesso di pochi centimetri. Ogni parte del cerchio trasmette energia ad una frequenza diversa, in modo tale che coprano un ampio spettro di energie quando lavorano insieme, da qui la capacità "a banda larga" dell'antenna per il telefono cellulare e l'accesso a Internet.

"La forma determina la funzione", ha detto. "E non sai mai veramente quale forma ti servirà da un'applicazione all'altra. Quindi volevamo una tecnologia in grado di ricamare qualsiasi forma per qualsiasi applicazione. "

L'obiettivo iniziale dei ricercatori, ha aggiunto Kiourti, era solo aumentare la precisione del ricamo il più possibile, il che ha reso necessario lavorare con filo d'argento sottile. Ma questo ha creato un problema, in quanto fili sottili non potevano fornire tanta conduttività superficiale come fili spessi. Quindi hanno dovuto trovare un modo per lavorare il filo sottile in densità e forme di ricamo che aumenterebbero la conduttività della superficie e, quindi, le prestazioni dell'antenna / sensore.

In precedenza, i ricercatori avevano utilizzato un filo di polimero rivestito di argento con un diametro di 0,5 mm, ciascun filo costituito da 600 filamenti ancora più sottili intrecciati insieme. I nuovi fili hanno un diametro di 0,1 mm, realizzati con soli sette filamenti. Ogni filamento è di rame al centro, smaltato con argento puro.

Comprano il filo dalla bobina ad un costo di 3 centesimi a piede; Kiourti ha stimato che il ricamo di una singola antenna a banda larga come quella sopra menzionata consuma circa 10 piedi di filo, per un costo del materiale di circa 30 centesimi per antenna. Questo è 24 volte meno costoso di quando Volakis e Kiourti hanno creato antenne simili nel 2014.

In parte, i risparmi vengono dall'utilizzo di meno filo per ricamo. In precedenza i ricercatori dovevano impilare il filo più spesso in due strati, uno sopra l'altro, per far sì che l'antenna portasse un segnale elettrico abbastanza forte. Ma perfezionando la tecnica sviluppata da lei e Volakis, Kiourti è stata in grado di creare le nuove antenne ad alta precisione in un solo strato ricamato del filo più sottile. Così ora il processo richiede la metà del tempo: solo circa 15 minuti per l'antenna a banda larga di cui sopra.

Ha anche incorporato alcune tecniche comuni alla produzione di microelettronica per aggiungere parti a antenne e circuiti ricamati.

Un prototipo di antenna sembra una spirale e può essere ricamato in abiti per migliorare la ricezione del segnale del telefono cellulare. Un altro prototipo, un'antenna estensibile con un chip integrato RFID (identificazione a radiofrequenza) incorporato nella gomma, porta le applicazioni della tecnologia oltre l'abbigliamento. (Quest'ultimo oggetto faceva parte di uno studio fatto per un produttore di pneumatici).

Un altro circuito ricorda il logo "O" del blocco di stato dell'Ohio, con filo scarlatto non conduttivo e filo grigio ricamato tra i fili d'argento "per dimostrare che gli e-tessuti possono essere sia decorativi che funzionali", ha affermato Kiourti.

Possono essere decorativi, ma le antenne e i circuiti ricamati funzionano davvero. I test hanno dimostrato che un'antenna a spirale ricamata di circa sei pollici tra i segnali trasmessi a frequenze da 1 a 5 GHz con un'efficienza quasi perfetta. La performance suggerisce che la spirale sarebbe adatta per l'internet a banda larga e la comunicazione cellulare.

In altre parole, la maglietta sulla schiena potrebbe contribuire ad aumentare la ricezione dello smartphone o del tablet che si sta tenendo in mano o inviare segnali ai dispositivi con dati sulla salute o sulle prestazioni atletiche.

Il lavoro si sposa bene con il ruolo dello Stato dell'Ohio come socio fondatore dell'Avanzated Functional Fabrics of America Institute, un centro nazionale di risorse manifatturiere per l'industria e il governo. Il nuovo istituto, che unisce circa 50 università e partner industriali, è stato annunciato all'inizio del mese dal Segretario alla Difesa USA Ashton Carter.

I materiali avanzati Syscom a Columbus hanno fornito i fili utilizzati nel lavoro iniziale di Volakis e Kiourti. I fili più fini utilizzati in questo studio sono stati acquistati dal produttore svizzero Elektrisola. La ricerca è finanziata dalla National Science Foundation e lo stato dell'Ohio concederà in licenza la tecnologia per ulteriori sviluppi.

Fino ad allora, Volakis sta stilando una lista della spesa per la fase successiva del progetto.

"Vogliamo una macchina da cucire più grande", ha detto.

L'articolo originale proviene da iconnect007