수동형 '힘' 스티커는 정밀한 측정을 재정의합니다 - IOTE 사물 인터넷 전시회

물체 사이에 가해지는 힘을 측정하는 것은 간단해 보이지만 실제로는 쉽지 않습니다. 접촉한 두 물체는 서로에게 일정한 힘을 가하게 되는데, 이는 플랫폼 위의 물체의 무게나 인간의 무릎 관절에 있는 두 뼈의 접촉과 같은 중력이나 기계적 접촉으로 인해 발생할 수 있습니다.

이 힘을 보다 효율적이고 편리하게 측정하기 위해 샌디에이고 캘리포니아 대학교 연구팀은 이러한 현상을 측정하는 데 도움이 되는 전자 "스티커"를 개발했습니다.

이 전원 스티커는 무선이고 배터리가 필요 없으며 작은 공간에 들어갈 수 있어 다양한 산업 분야의 다양한 응용 분야에 적합합니다. 엔지니어들에 따르면 이 장치는 무릎 임플란트에 사용되어 임플란트가 관절에 가하는 압력을 정량적으로 측정할 수 있다고 합니다. 이러한 힘의 변화를 모니터링하는 것은 임플란트의 적합성과 마모를 평가하는 데 중요합니다.

캘리포니아 대학교 샌디에고 공과대학 교수인 디네시 바라디아(Dinesh Bharadia)는 학교 성명에서 이렇게 말했습니다. "인간은 힘을 감지하는 타고난 능력을 가지고 태어났습니다. 이는 우리에게 주변 환경과 원활하게 상호 작용할 수 있는 능력을 제공합니다. 또한 임상의가 섬세한 수술을 수행할 수 있게 함으로써 힘을 감지하는 능력을 전자 장치 및 의료용 임플란트에 도입하면 많은 산업에 혁명을 일으킬 수 있습니다.”

이 파워 스티커는 두 가지 주요 부분으로 구성됩니다. 첫 번째는 두께가 몇 밀리미터이고 쌀알만한 크기의 작은 커패시터입니다. 또 다른 구성 요소는 바코드와 유사하며 전파를 통해 무선으로 읽을 수 있는 RFID(무선 주파수 식별) 스티커입니다. 연구원들은 물체에 가해지는 힘을 측정하고 이 정보를 RFID 판독기에 무선으로 전송하는 두 구성 요소를 연결하는 혁신적인 방법을 사용했습니다.

커패시터는 두 개의 전도성 구리 스트립 사이에 얇은 연질 폴리머 층을 배치하여 형성됩니다. 외력이 폴리머에 작용하면 폴리머가 압축되어 구리 스트립이 서로 더 가까워지고 커패시터 내의 전하가 증가합니다.

연구원들은 RFID 태그에서 생성되는 신호를 변경하려면 가해진 힘으로 인한 전하의 증가가 중요하다고 지적합니다. RFID 리더는 이러한 변화를 원격으로 모니터링하고 이를 해당 힘 값으로 변환합니다. RFID 신호를 수정하는 이 방법을 사용하면 강제 스티커 내의 구성 요소를 매우 작게 만들 수 있으므로 RFID 신호를 수정하는 데 사용된 이전 방법에 비해 크기가 1,000분의 1로 줄어듭니다.

동시에 RFID 스티커는 후방 산란이라는 메커니즘을 통해 무선 신호를 전송하며 매우 낮은 전력을 소비합니다. RFID 리더로부터 무선 신호를 수신하고 커패시터에 의한 전하 변화를 통해 신호를 변경한 후 변경된 신호를 리더로 반환하면 리더는 이를 분석하여 해당 전력 수치로 변환합니다. 따라서 이 전원 스티커의 전력 소비는 매우 낮습니다.

또 다른 설계 측면은 커패시터를 다양한 힘 범위에 맞게 맞춤 설정할 수 있다는 것입니다. 부드럽거나 단단한 폴리머 층을 변경함으로써 커패시터를 조정하여 다양한 범위의 압력을 모니터링할 수 있습니다.

본 연구에서 연구진은 타당성을 검증하기 위해 두 가지 유형의 강도 스티커를 제작하고 테스트했습니다. 커패시터가 매우 부드러운 폴리머로 만들어진 힘 스티커는 작은 힘을 모니터링하는 데 사용되며 무릎 관절을 시뮬레이션하는 연구에 사용하기에 적합합니다. 힘 스티커를 관절에 배치하고 연구원들이 압력을 가했을 때 다양한 힘을 정확하게 감지할 수 있었습니다. 더욱 견고한 폴리머 커패시터를 갖춘 두 번째 힘 스티커는 창고 포장 분야에서 실험적으로 평가되었습니다. 이는 상자 바닥에 테이프로 붙어 있어 상자 안에 들어 있는 다양한 품목의 무게를 정확하게 평가할 수 있습니다.

팀에 따르면 이 파워 스티커는 테스트에서 매우 강력한 성능을 발휘했습니다. 정확성을 유지하면서 10,000회 이상 힘을 가하는 것에 저항할 수 있습니다. 또한 연구원에 따르면 스티커 당 2달러 미만의 비용으로 매우 저렴한 비용으로 생산할 수 있습니다.

그러나 이 기술에도 한계가 있습니다. 과학자들은 이러한 파워 스티커가 정적 환경에서만 잘 작동할 수 있으며 매우 역동적인 상황에는 적합하지 않다고 지적합니다.

전기 및 컴퓨터공학 박사과정 학생이자 공동 저자인 Agrim Gupta는 "이 기술을 상용화할 수 있다면 미래에는 이 스티커를 반창고만큼 저렴하게 판매할 수 있을 것"이라고 말했습니다.

이 연구의 세부 사항은 ACM에 게시되었습니다.

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