Batterijloze ‘stickers’ meten krachten

De zogeheten ‘Force sticker’ is een dun, flexibel elektronisch apparaatje dat krachten meet tussen objecten die contact maken.

Ingenieurs van de University of Californië San Diego hebben elektronische 'stickers' ontwikkeld die de kracht meten die door het ene object op het andere wordt uitgeoefend. De stickers zijn draadloos, werken zonder batterijen en passen in krappe ruimtes. Dat maakt ze geschikt voor een breed scala aan toepassingen

• het voorzien van robots met tastzin
• het verbeteren van de ervaring van VR en AR
• het slimmer maken van biomedische apparaten
• het bewaken van de veiligheid van industriële apparatuur
• het verbeteren van de nauwkeurigheid en efficiëntie van voorraadbeheer in magazijnen.

Toepassingen

De stickers zouden bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt in knie-implantaten om de krachten te meten die implantaten op het gewricht uitoefenen. Het vermogen om veranderingen in deze krachten waar te nemen kan nuttig zijn voor het bewaken van de pasvorm en de slijtage van een implantaat. De 'Force stickers kunnen ook op de bodem van magazijnpakketten worden geplaatst om het gewicht van de inhoud te meten en fungeren als miniatuurweegschalen voor het controleren van de voorraad.

Volgens de ontwikkelaars kunnen de krachtstickers technologie intelligenter, interactiever en intuïtiever maken. Mensen kunnen van nature krachten voelen en kunnen daardoor naadloos communiceren met hun omgeving. Artsen kunnen delicate chirurgische ingrepen uitvoeren. Het aanbieden van krachtsensoren aan elektronische apparaten en medische implantaten zou voor veel industrieën een gamechanger kunnen zijn.”

Opbouw en werking

De Force-stickers bestaan uit twee hoofdcomponenten. De ene is een kleine condensator die slechts een paar millimeter dun is en ongeveer zo groot is als een rijstkorrel. Het andere onderdeel is een RFID-sticker. De onderzoekers hebben een slimme manier gevonden om deze twee componenten met elkaar te integreren. Ze kunnen aldus de kracht meten die door een object wordt uitgeoefend en die informatie draadloos naar een RFID-lezer communiceren.

De condensator is gemaakt van een zachte polymeerplaat, ingeklemd tussen twee geleidende koperen strips. Wanneer een externe kracht wordt uitgeoefend, wordt het polymeer samengedrukt, waardoor de koperen strips dichter bij elkaar worden getrokken. Hierdoor neemt de elektrische lading in de condensator toe. Deze toename is van cruciaal belang omdat deze veranderingen veroorzaakt in het signaal dat door de RFID-sticker wordt verzonden.

Een RFID-lezer meet deze veranderingen op afstand en vertaalt deze naar een specifieke omvang van de toegepaste kracht. De specifieke techniek voor het creëren van veranderingen in het RFID-signaal maakt het mogelijk dat de componenten binnen de krachtsticker worden geminiaturiseerd. Ter vergelijking: eerdere methoden om veranderingen in het RFID-signaal te creëren vereisten componenten die duizend keer groter waren.

Laag vermogen

De RFID-sticker werkt op laag vermogen door radiosignalen uit te zenden via een techniek die backscattering wordt genoemd. Het ontvangt binnenkomende radiosignalen van een RFID-lezer en wijzigt de signalen via elektrische veranderingen veroorzaakt door de condensator. De sticker reflecteert vervolgens de gewijzigde signalen terug naar de lezer, die ze ontcijfert en vertaalt in uitgeoefende kracht. Hierdoor werkt de Force-sticker vrijwel zonder stroom.

De condensator kan worden aangepast voor verschillende krachtbereiken. Door de polymeerlaag te vervangen door een zachtere of stijvere laag, kan de condensator worden aangepast om respectievelijk kleinere of grotere krachten te meten. Om dit aan te tonen, hebben de onderzoekers twee soorten krachtstickers gebouwd en getest.

In één sticker is de condensator gebouwd met een superzacht polymeer om kleinere krachten te meten. Deze is geschikt voor gebruik bij experimenten in een modelkniegewricht. De krachtsticker werd in het gewricht geplaatst en meet nauwkeurig de verschillende uitgeoefende krachten terwijl de onderzoekers op het gewricht duwden.

Bij de tweede sticker was de condensator vervaardigd uit een stijver polymeer en deze werd getest in een verpakkingsexperiment in een magazijn. Bevestigd aan de onderkant van een doos mat de krachtsticker het nauwkeurig het gewicht van verschillende hoeveelheden voorwerpen die in de doos waren geplaatst.

Vervolg

In tests bleken de Force-stickers duurzaam. Ze doorstonden meer dan 10.000 krachttoepassingen en bleven consistent nauwkeurig. Bovendien kunnen ze tegen lage kosten worden vervaardigd, waarbij elke sticker minder dan $ 2 kost. Als ze deze technologie kunnen commercialiseren, verwachten ze dat een doos in de toekomst goedkoop verkocht kan worden, net als een doos pleisters.

Er geldt echter een beperking. De krachtstickers hebben een statische omgeving nodig om effectief te kunnen functioneren; ze presteren niet optimaal in een zeer dynamische omgeving. De onderzoekers pakken dit probleem aan terwijl ze proberen de technologie verder te verbeteren. Ook willen ze de force-stickers in de toekomst leesbaar maken voor smartphones, waardoor RFID-lezers overbodig worden.

De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.

Foto: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering