Passive „Kraft'-Aufkleber definieren präzise Messung neu – IOTE Internet of Things Exhibition

Das Messen der zwischen Objekten ausgeübten Kraft ist ein komplexer Prozess. Obwohl es einfach klingt, ist es in der Praxis nicht einfach. Zwei in Kontakt stehende Objekte üben eine gewisse Kraft aufeinander aus, was auf die Schwerkraft oder mechanischen Kontakt zurückzuführen sein kann, beispielsweise auf das Gewicht des Objekts auf der Plattform oder auf den Kontakt zweier Knochen am menschlichen Kniegelenk.

Um diese Kraft effizienter und bequemer zu messen, hat ein Forschungsteam an der University of California in San Diego einen elektronischen „Aufkleber“ entwickelt, der bei der Messung dieser Phänomene hilft.

Diese Power-Sticker sind kabellos, benötigen keine Batterien und passen in kleine Räume, sodass sie für eine Vielzahl von Anwendungen in verschiedenen Branchen geeignet sind. Den Ingenieuren zufolge könnte das Gerät bei Knieimplantaten eingesetzt werden, um den Druck, den das Implantat auf das Gelenk ausübt, quantitativ zu messen. Die Überwachung der Veränderungen dieser Kräfte ist für die Beurteilung von Implantatsitz und -verschleiß von entscheidender Bedeutung.

Dinesh Bharadia, Professor an der University of California, San Diego School of Engineering, sagte in einer Erklärung der Schule: „Menschen werden mit der angeborenen Fähigkeit geboren, Kraft zu spüren. Dies gibt uns die Fähigkeit, nahtlos mit unserer Umgebung zu interagieren.“ Und es ermöglicht Ärzten auch, heikle Operationen durchzuführen. Die Einführung dieser Fähigkeit, Kräfte in elektronische Geräte und medizinische Implantate zu integrieren, könnte viele Branchen revolutionieren

Diese Power-Sticker bestehen aus zwei Hauptteilen. Der erste ist ein kleiner Kondensator von einigen Millimetern Dicke und etwa der Größe eines Reiskorns. Ein weiterer Bestandteil ist ein RFID-Aufkleber (Radio Frequency Identification), der einem Barcode ähnelt und drahtlos über Funkwellen gelesen werden kann. Die Forscher nutzten eine innovative Methode, um die beiden Komponenten zu verbinden, die die Kraft auf das Objekt messen und diese Informationen drahtlos an ein RFID-Lesegerät übertragen.

Ein Kondensator wird gebildet, indem eine dünne Schicht aus weichem Polymer zwischen seine beiden leitenden Kupferstreifen gelegt wird. Wenn eine äußere Kraft auf das Polymer einwirkt, wird es komprimiert, wodurch die Kupferstreifen näher zusammenrücken und die Ladung im Kondensator erhöht.

Die Forscher weisen darauf hin, dass die Ladungszunahme aufgrund der ausgeübten Kraft wichtig für die Veränderung des vom RFID-Tag erzeugten Signals ist. Ein RFID-Leser überwacht diese Veränderungen aus der Ferne und wandelt sie in entsprechende Kraftwerte um. Diese Methode zur Modifizierung von RFID-Signalen ermöglicht es, Komponenten innerhalb des Kraftaufklebers sehr klein zu machen und ihre Größe im Vergleich zu früheren Methoden zur Modifizierung von RFID-Signalen um den Faktor Tausend zu reduzieren.

Gleichzeitig übertragen RFID-Aufkleber Funksignale durch einen Mechanismus namens Rückstreuung und verbrauchen sehr wenig Strom. Es empfängt das Funksignal vom RFID-Lesegerät, ändert das Signal durch die vom Kondensator verursachte Ladungsänderung und gibt das geänderte Signal dann an das Lesegerät zurück, das es analysiert und in den entsprechenden numerischen Leistungswert umwandelt. Daher ist der Stromverbrauch dieses Power-Stickers sehr gering.

Ein weiterer Designaspekt besteht darin, dass die Kondensatoren für verschiedene Kraftbereiche angepasst werden können. Durch den Austausch der weichen oder steifen Polymerschichten kann der Kondensator so abgestimmt werden, dass er Drücke in verschiedenen Bereichen überwacht.

In der Studie erstellten und testeten die Forscher zwei Arten von Festigkeitsaufklebern, um ihre Machbarkeit zu überprüfen. Ein Kraftaufkleber, dessen Kondensator aus einem extrem weichen Polymer besteht, dient zur Überwachung kleinster Kräfte und eignet sich für den Einsatz in Studien zur Simulation von Kniegelenken. Als der Kraftaufkleber in ein Gelenk gesteckt wurde und die Forscher Druck ausübten, konnten verschiedene Kräfte genau erfasst werden. Ein zweiter Kraftaufkleber mit einem steiferen Polymerkondensator wurde im Bereich der Lagerverpackung experimentell evaluiert. Es ist am Boden des Kartons befestigt und ermöglicht eine genaue Einschätzung des Gewichts verschiedener im Karton befindlicher Gegenstände.

Nach Angaben des Teams haben diese Power-Sticker im Test sehr gut abgeschnitten. Sie sind in der Lage, mehr als 10.000 Krafteinwirkungen standzuhalten und dabei ihre Genauigkeit beizubehalten. Darüber hinaus können sie den Forschern zufolge sehr kostengünstig hergestellt werden und kosten weniger als 2 US-Dollar pro Aufkleber.

Diese Technologie hat jedoch auch ihre Grenzen. Wissenschaftler weisen darauf hin, dass diese Power-Sticker nur in statischen Umgebungen gut funktionieren und nicht für hochdynamische Situationen geeignet sind.

Agrim Gupta, Doktorand in Elektro- und Computertechnik und Co-Autor der Studie, sagte: „Wenn wir diese Technologie kommerzialisieren können, ist es denkbar, dass diese Aufkleber in Zukunft so günstig verkauft werden können wie Pflaster.“

Details dieser Studie wurden in ACM veröffentlicht.

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