Capteurs de force sans fil et sans pile :mesure précise entre les objets en contact

Université de Californie à San Diego, La Jolla, Californie

Cet « autocollant de force » est un appareil électronique fin et flexible qui mesure les forces entre les objets en contact. (Image :David Baillot/École d'ingénierie Jacobs de l'UC San Diego)

Des ingénieurs de l’Université de Californie à San Diego ont développé des « autocollants » électroniques qui mesurent la force exercée par un objet sur un autre. Les autocollants Force sont sans fil, fonctionnent sans piles et s'adaptent aux espaces restreints. Cela les rend polyvalents pour un large éventail d'applications, depuis l'armement des robots avec le sens du toucher jusqu'à l'amélioration de l'expérience immersive de la réalité virtuelle et de la réalité augmentée, en passant par la fabrication d'appareils biomédicaux plus intelligents, la surveillance de la sécurité des équipements industriels et l'amélioration de la précision et de l'efficacité de la gestion des stocks dans les entrepôts.

Ils pourraient être utilisés, par exemple, dans les implants du genou pour mesurer les forces exercées par les implants sur l’articulation. Avoir la capacité de détecter les changements dans ces forces peut être utile pour surveiller l’ajustement d’un implant, ainsi que son usure. Des autocollants de force pourraient également être placés au bas des colis d'entrepôt pour mesurer le poids de leur contenu, agissant comme une balance miniature pour vérifier l'inventaire.

"Ces autocollants de force pourraient rendre la technologie plus intelligente, interactive et intuitive", a déclaré Dinesh Bharadia, professeur de génie électrique et informatique à la Jacobs School of Engineering de l'UC San Diego. "Les humains, par nature, possèdent une capacité inhérente à ressentir la force. Cela nous permet d'interagir de manière transparente avec notre environnement et permet aux cliniciens d'effectuer des interventions chirurgicales délicates. Fournir cette capacité de détection de force aux appareils électroniques et aux implants médicaux pourrait changer la donne pour de nombreuses industries. "

Les autocollants de force se composent de deux composants principaux. L’un d’entre eux est un minuscule condensateur de quelques millimètres d’épaisseur et de la taille d’un grain de riz. L'autre composant est un autocollant d'identification par radiofréquence (RFID), qui est un dispositif qui fonctionne comme un code-barres pouvant être lu sans fil à l'aide de signaux radio. Les chercheurs ont trouvé un moyen intelligent d'intégrer ces deux composants afin qu'ils puissent mesurer la force appliquée par un objet et communiquer cette information sans fil à un lecteur RFID.

Le condensateur est constitué d'une feuille de polymère souple prise en sandwich entre deux bandes de cuivre conductrices. Lorsqu'une force externe est appliquée, le polymère se comprime, rapprochant les bandes de cuivre, augmentant ainsi la charge électrique dans le condensateur.

Selon les chercheurs, cette augmentation de la charge électrique résultant de la force appliquée est essentielle, car elle crée des modifications dans le signal transmis par l’autocollant RFID. Un lecteur RFID mesure à distance ces changements et les traduit en une ampleur spécifique de force appliquée. Cette technique particulière de création de modifications du signal RFID permet de miniaturiser les composants de l'autocollant de force. En comparaison, les méthodes précédentes pour créer des modifications dans le signal RFID nécessitaient des composants mille fois plus grands.

Pendant ce temps, l’autocollant RFID fonctionne avec une consommation d’énergie extrêmement faible en transmettant des signaux radio via une technique appelée rétrodiffusion. Il prend les signaux radio entrants d'un lecteur RFID, les modifie via les changements électriques induits par le condensateur, puis renvoie les signaux modifiés au lecteur, qui les déchiffre et les traduit en force appliquée.

En conséquence, les autocollants de force fonctionnent pratiquement sans énergie. "La conception est vraiment simple avec un minimum d'électronique", a déclaré le premier auteur de l'étude, Agrim Gupta, titulaire d'un doctorat en génie électrique et informatique. étudiant dans le laboratoire de Bharadia.

Une autre caractéristique de conception est que le condensateur peut être personnalisé pour différentes plages de forces. En remplaçant la couche de polymère par une couche plus souple ou plus rigide, le condensateur peut être adapté pour mesurer respectivement des forces plus petites ou plus grandes.

Pour le démontrer, les chercheurs ont construit et testé deux types d’autocollants de force. Dans un seul autocollant, le condensateur a été construit avec un polymère ultra doux pour mesurer des forces plus faibles, ce qui le rend adapté à une utilisation dans des expériences sur un modèle d'articulation du genou. Placé à l’intérieur du joint, l’autocollant de force mesurait avec précision les différentes forces appliquées lorsque les chercheurs poussaient sur le joint. Le deuxième autocollant, dans lequel le condensateur était construit avec un polymère plus rigide, a été testé dans le cadre d'une expérience d'emballage en entrepôt. Attaché au dessous d'une boîte, il mesurait avec précision le poids de différentes quantités d'objets placés dans la boîte.

Lors des tests, les autocollants de force se sont révélés extrêmement durables. Ils ont résisté à plus de 10 000 applications de force et sont restés toujours précis. De plus, ils peuvent être fabriqués à faible coût, chaque autocollant coûtant moins de 2 dollars, ont noté les chercheurs.

"Si nous pouvons commercialiser cette technologie, nous imaginons qu'à l'avenir, une boîte de ces produits pourrait être vendue à moindre coût, comme une boîte de pansements", a déclaré Gupta. À l'avenir, les chercheurs visent à rendre les autocollants de force lisibles par les smartphones, ce qui éliminerait le besoin de lecteurs RFID.

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