Drahtlose, batterielose Kraftsensoren: Präzise Messung zwischen berührenden Objekten

University of California San Diego, La Jolla, CA: Dieser sogenannte „Force Sticker“ ist ein dünnes, flexibles elektronisches Gerät, das Kräfte zwischen sich berührenden Objekten misst.

Vielseitige Force Sticker

Ingenieure der UC San Diego entwickelten elektronische „Sticker“, die Kraft messen, die ein Objekt auf ein anderes ausübt. Force Sticker: drahtlos, batterielos, passen in enge Räume. Vielseitig für breite Anwendungen: Roboter mit Tastsinn ausstatten, VR/AR-Immersion steigern, biomedizinische Geräte smarter machen, Industriesicherheit überwachen, Lagerbestandsmanagement Genauigkeit/Effizienz verbessern.

Beispiele: In Knieimplantaten zur Messung der von Implantat auf Gelenk ausgeübten Kräfte → Monitoring Implantatpassform, Verschleiß. Auf Unterseite Lagerpakete → Miniaturwaagen für Inventur.

„Force Sticker könnten Technologie intelligenter, interaktiver, intuitiver machen“, so Dinesh Bharadia (Professor Electrical & Computer Engineering, UC San Diego Jacobs School of Engineering). „Menschen besitzen inhärente Fähigkeit Kraft zu spüren → nahtlose Interaktion mit Umgebung, ermöglicht Chirurgen delicate Prozeduren. Diese Kraftsensorfähigkeit elektronischen Geräten/Medizinimplanten zu geben = Game-Changer für viele Industrien.“

Aufbau: Kondensator + RFID-Sticker

Zwei Hauptkomponenten:

1. Winziger Kondensator: wenige mm dünn, Reiskorngröße.
2. RFID-Sticker: funktioniert wie drahtlos auslesbarer Barcode via Funksignale.

Clevere Integration beider Komponenten → Messung aufgebrachter Kraft + drahtlose Kommunikation an RFID-Reader.

Funktionsprinzip

Kondensator: weiches Polymersheet zwischen zwei leitfähigen Kupferstreifen. Externe Kraft komprimiert Polymer → Kupferstreifen rücken näher → Erhöhung elektrischer Ladung im Kondensator.

Ladungserhöhung durch aufgebrachte Kraft = Schlüssel: Erzeugt Änderungen im vom RFID-Sticker übertragenen Signal. RFID-Reader misst Änderungen remote und übersetzt in spezifische aufgebrachte Kraftgröße. Technik ermöglicht Miniaturisierung der Force-Sticker-Komponenten. Vorherige Methoden für RFID-Signaländerungen benötigten Komponenten 1000x größer.

RFID-Sticker läuft mit extrem niedriger Leistung via Backscattering: Nimmt eingehende Funksignale vom RFID-Reader, modifiziert via elektrischer Änderungen (induziert durch Kondensator), reflektiert modifizierte Signale zurück zum Reader → entschlüsselt/übersetzt in aufgebrachte Kraft.

→ Force Sticker laufen quasi ohne Strom. „Design wirklich simpel mit minimaler Elektronik“, so Agrim Gupta (Erstautor, Ph.D. Student Electrical & Computer Engineering, Bharadia Lab).

Anpassbare Kraftbereiche

Kondensator anpassbar für verschiedene Kraftbereiche: Ersetzen Polymerschicht durch weichere/steifere → Kondensator misst kleinere/größere Kräfte.

Demonstration: Zwei Force-Sticker-Typen

1. Superweicher Polymer: Misst kleine Kräfte → Modell-Kniegelenk. In Gelenk platziert, maß präzise verschiedene aufgebrachte Kräfte bei Gelenkbelastung.
2. Steiferer Polymer: Lagerverpackungsexperiment. An Boxunterseite befestigt, maß präzise Gewicht variierender Objektmengen in Box.

Haltbarkeit & Kosten

Tests: Force Sticker extrem langlebig. Widerstanden >10.000 Krafteinwirkungen, blieben konsistent akkurat. Fertigungskosten niedrig: <$2 pro Sticker.

„Wenn wir Technologie kommerzialisieren, könnte Box davon günstig verkauft werden wie Pflasterbox“, so Gupta. Ziel: Force Sticker per Smartphone auslesbar machen → RFID-Reader überflüssig.

Weitere Informationen: Liezel Labios, E-Mail-Adresse durch Spamschutz geschützt (JavaScript erforderlich), Tel.: 858-246-1124.