Smarte tekstiler øger forbindelsen mellem bærbare sensorer med 1, 000 gange

I løbet af det seneste årti, en stor trend inden for elektronik har været udviklingen af ​​sensorer, skærme og smarte enheder, som er problemfrit integreret i den menneskelige krop. De fleste af disse bærbare enheder er enkeltvis forbundet til en brugers smartphone og transmitterer alle data via Bluetooth eller Wi-Fi-signaler. Men efterhånden som forbrugerne bærer et stigende antal bærbare enheder, og efterhånden som de data, de sender, stiger i raffinement, mere innovative tilslutningsmetoder efterspørges.

Nu, forskere fra National University of Singapore (NUS) har opfundet en helt ny måde, hvorpå bærbare enheder kan forbindes. De inkorporerede ledende tekstiler i tøj for dynamisk at forbinde flere bærbare enheder på én gang. Dette "trådløse kropssensornetværk" gør det muligt for enheder at transmittere data med 1, 000 gange stærkere signal end konventionelle teknologier, hvilket betyder, at batterilevetiden for alle enheder er dramatisk forbedret. Trådløse netværk af disse bærbare enheder på en krop har fremtidige applikationer inden for sundhedsovervågning, medicinske indgreb og menneske-maskine-grænseflader.

Dette teknologiske gennembrud, hvilket tog holdet på 10 medlemmer et år at opnå, blev udgivet som forsiden af Naturelektronik den 17. juni 2019.

Bedre dataoverførsel, større privatliv

I øjeblikket, næsten alle kropssensorer som smarte ure forbinder til smartphones og anden bærbar elektronik via radiobølger som Bluetooth og Wi-Fi. Disse bølger stråler udad i alle retninger, hvilket betyder, at det meste af energien går tabt til det omkringliggende område. Denne tilslutningsmetode reducerer drastisk effektiviteten af ​​den bærbare teknologi, da det meste af dens batterilevetid bruges på at forsøge at oprette forbindelse.

Som sådan, Adjunkt John Ho og hans team fra Institute for Health Innovation &Technology (NUS iHealthtech) og NUS Faculty of Engineering ønskede at begrænse signalerne mellem sensorerne tættere på kroppen for at forbedre effektiviteten.

Deres løsning var at forbedre almindeligt tøj med ledende tekstiler kendt som metamaterialer. I stedet for at sende bølger ind i det omgivende rum, disse metamaterialer er i stand til at skabe "overfladebølger", som kan glide trådløst rundt i kroppen på tøjet. Det betyder, at energien fra signalet mellem enheder holdes tæt på kroppen i stedet for at spredes i alle retninger. Derfor, den bærbare elektronik bruger meget mindre strøm end normalt, og enhederne kan registrere meget svagere signaler.

"Denne innovation giver mulighed for den perfekte transmission af data mellem enheder ved strømniveauer, der er 1, 000 gange reduceret. Eller, alternativt, disse metamateriale tekstiler kunne booste det modtagne signal med 1, 000 gange, hvilket kunne give dig dramatisk højere datahastigheder for den samme kraft, "Sagde prof. Ho. Faktisk, signalet mellem enheder er så stærkt, at det er muligt trådløst at overføre strøm fra en smartphone til selve enheden – hvilket åbner døren for batterifrie bærbare enheder.

Afgørende, dette signalforstærkning kræver ingen ændringer af hverken smartphonen eller Bluetooth-enheden – metamaterialet fungerer med enhver eksisterende trådløs enhed i det designede frekvensbånd.

Denne opfindsomme måde at netværksenheder på giver også mere privatliv end konventionelle metoder. I øjeblikket, radiobølger sender signaler flere meter udad fra den person, der bærer enheden, hvilket betyder, at personlige og følsomme oplysninger kan være sårbare over for potentielle aflyttere. Ved at begrænse det trådløse kommunikationssignal til inden for 10 centimeter fra kroppen, Asst Prof Ho og hans team har skabt et netværk, der er mere sikkert.

Intelligent design, forbedrede kapaciteter

Holdet har et første års foreløbigt patent på metamateriale tekstildesign, som består af en kamformet strimmel af metamateriale ovenpå tøjet med et umønstret lederlag nedenunder. Disse strimler kan derefter arrangeres på tøj i ethvert mønster, der er nødvendigt for at forbinde alle områder af kroppen. Selve metamaterialet er omkostningseffektivt, i intervallet et par dollars pr. meter, og kan nemt købes i ruller.

"Vi startede med et specifikt metamateriale, der både var fladt og kunne understøtte overfladebølger. Vi var nødt til at redesigne strukturen, så den kunne fungere ved de frekvenser, der bruges til Bluetooth og Wi-Fi, fungere godt, selv når den er tæt på menneskekroppen, og kunne masseproduceres ved at skære plader af ledende tekstil, " Asst Prof Ho forklarede.

Holdets særlige design blev skabt ved hjælp af en computermodel for at sikre vellykket kommunikation i radiofrekvensområdet og for at optimere den samlede effektivitet. Det smarte tøj fremstilles derefter ved at laserskære det ledende metamateriale og fastgøre strimlerne med stofklæber.

Når først det er lavet, det "smarte" tøj er yderst robust. De kan foldes og bøjes med minimalt tab af signalstyrken, og de ledende strimler kan endda skæres eller rives, uden at hæmme de trådløse muligheder. Tøjet kan også vaskes, tørret, og strøget ligesom normalt tøj.

Næste skridt

Teamet taler med potentielle partnere for at kommercialisere denne teknologi, og i den nærmeste fremtid håber Asst Prof Ho at teste de "smarte" tekstiler som specialiseret atletisk beklædning og for hospitalspatienter til at overvåge præstationer og sundhed. Potentielle anvendelser kan variere dramatisk – fra måling af en patients vitale tegn uden at hæmme deres bevægelsesfrihed, at justere lydstyrken i en atlets trådløse hovedtelefoner med en enkelt håndbevægelse.

"Vi forestiller os, at det giver atletisk tøj, medicinsk beklædning og andet tøj med sådanne avancerede elektromagnetiske egenskaber kan forbedre vores evne til at opfatte og interagere med verden omkring os, " sagde Asst Prof Ho.