Kabellose, batterielose Kraftsensoren:Präzise Messung zwischen sich berührenden Objekten

University of California San Diego, La Jolla, CA

Dieser sogenannte „Kraftaufkleber“ ist ein dünnes, flexibles elektronisches Gerät, das Kräfte zwischen sich berührenden Objekten misst. (Bild:David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering)

Ingenieure der University of California in San Diego haben elektronische „Aufkleber“ entwickelt, die die Kraft messen, die ein Objekt auf ein anderes ausübt. Die Force-Sticker sind kabellos, laufen ohne Batterien und passen in enge Räume. Das macht sie vielseitig einsetzbar für eine Vielzahl von Anwendungen, von der Ausstattung von Robotern mit einem Tastsinn über die Erweiterung des immersiven VR- und AR-Erlebnisses bis hin zur intelligenteren Herstellung biomedizinischer Geräte, der Überwachung der Sicherheit von Industrieanlagen und der Verbesserung der Genauigkeit und Effizienz der Bestandsverwaltung in Lagerhäusern.

Sie könnten beispielsweise bei Knieimplantaten eingesetzt werden, um die Kräfte zu messen, die Implantate auf das Gelenk ausüben. Die Fähigkeit, Veränderungen dieser Kräfte zu erkennen, kann nützlich sein, um den Sitz eines Implantats sowie den Verschleiß zu überwachen. Force-Aufkleber könnten auch auf der Unterseite von Lagerverpackungen angebracht werden, um das Gewicht ihres Inhalts zu messen und als Miniaturwaage zur Überprüfung des Lagerbestands zu fungieren.

„Diese Kraftaufkleber könnten die Technologie intelligenter, interaktiver und intuitiver machen“, sagte Dinesh Bharadia, Professor für Elektrotechnik und Informationstechnik an der UC San Diego Jacobs School of Engineering. „Menschen verfügen von Natur aus über die angeborene Fähigkeit, Kraft zu spüren. Dadurch können wir nahtlos mit unserer Umgebung interagieren und Kliniker können heikle chirurgische Eingriffe durchführen. Die Bereitstellung dieser Krafterkennungsfähigkeit für elektronische Geräte und medizinische Implantate könnte für viele Branchen von entscheidender Bedeutung sein.“

Die Kraftaufkleber bestehen aus zwei Hauptkomponenten. Einer davon ist ein winziger Kondensator, der nur wenige Millimeter dünn ist und etwa die Größe eines Reiskorns hat. Die andere Komponente ist ein Radiofrequenz-Identifikationsaufkleber (RFID), ein Gerät, das wie ein Barcode funktioniert und mithilfe von Funksignalen drahtlos gelesen werden kann. Die Forscher haben einen cleveren Weg gefunden, diese beiden Komponenten miteinander zu integrieren, sodass sie die von einem Objekt ausgeübte Kraft messen und diese Informationen drahtlos an ein RFID-Lesegerät übermitteln können.

Der Kondensator besteht aus einer weichen Polymerfolie, die zwischen zwei leitenden Kupferstreifen liegt. Wenn eine äußere Kraft ausgeübt wird, komprimiert sich das Polymer, zieht die Kupferstreifen näher zusammen und erhöht dadurch die elektrische Ladung im Kondensator.

Dieser Anstieg der elektrischen Ladung infolge der ausgeübten Kraft ist laut den Forschern von entscheidender Bedeutung, da er zu Veränderungen im vom RFID-Aufkleber übertragenen Signal führt. Ein RFID-Lesegerät misst diese Veränderungen aus der Ferne und wandelt sie in eine bestimmte Größe der ausgeübten Kraft um. Diese spezielle Technik zur Erzeugung von Änderungen im RFID-Signal ermöglicht die Miniaturisierung der Komponenten innerhalb des Kraftaufklebers. Im Vergleich dazu erforderten frühere Methoden zur Erzeugung von Änderungen im RFID-Signal Komponenten, die tausendmal größer waren.

Mittlerweile benötigt der RFID-Aufkleber extrem wenig Strom, indem er Funksignale über eine Technik namens Rückstreuung überträgt. Es empfängt eingehende Funksignale von einem RFID-Lesegerät, modifiziert die Signale durch elektrische Veränderungen, die durch den Kondensator hervorgerufen werden, und reflektiert die modifizierten Signale dann zurück zum Lesegerät, das sie entschlüsselt und in angewandte Kraft umwandelt.

Dadurch laufen die Kraftaufkleber praktisch stromlos. „Das Design ist wirklich einfach mit minimaler Elektronik“, sagte der Erstautor der Studie, Agrim Gupta, ein Doktor der Elektro- und Computertechnik. Student in Bharadias Labor.

Ein weiteres Konstruktionsmerkmal besteht darin, dass der Kondensator für verschiedene Kraftbereiche angepasst werden kann. Durch Ersetzen der Polymerschicht durch eine weichere oder steifere Schicht kann der Kondensator so angepasst werden, dass er kleinere bzw. größere Kräfte misst.

Um dies zu demonstrieren, bauten und testeten die Forscher zwei Arten von Kraftaufklebern. Auf einem Aufkleber wurde der Kondensator aus einem superweichen Polymer hergestellt, um kleinere Kräfte zu messen, wodurch er für den Einsatz in Experimenten an einem Modellkniegelenk geeignet ist. Der im Gelenk angebrachte Kraftaufkleber maß genau die unterschiedlichen Kräfte, die auf das Gelenk einwirkten. Der zweite Aufkleber, bei dem der Kondensator aus einem steiferen Polymer bestand, wurde in einem Lagerverpackungsexperiment getestet. An der Unterseite einer Kiste befestigt, maß es genau das Gewicht unterschiedlicher Mengen von Gegenständen, die in der Kiste platziert wurden.

In Tests erwiesen sich die Kraftaufkleber als äußerst langlebig. Sie hielten mehr als 10.000 Krafteinwirkungen stand und blieben stets präzise. Darüber hinaus können sie kostengünstig hergestellt werden, wobei jeder Aufkleber weniger als 2 US-Dollar kostet, stellten die Forscher fest.

„Wenn wir diese Technologie kommerzialisieren können, können wir uns vorstellen, dass in Zukunft eine Schachtel davon kostengünstig verkauft werden könnte, wie eine Schachtel Pflaster“, sagte Gupta. In Zukunft wollen die Forscher die Kraftaufkleber für Smartphones lesbar machen, wodurch RFID-Lesegeräte überflüssig werden.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Liezel Labios unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.; 858-246-1124.