Les autocollants de mesure de force RFID redéfinissent la mesure précise

Toutes deux objets en contact exercent une certaine force l'un sur l'autre, qui peut être due à la gravité ou à un contact mécanique, comme le poids de l'objet sur la plateforme ou le contact de deux os au niveau de l'articulation du genou humain. Afin de mesurer cette force de manière plus efficace et plus pratique, une équipe de recherche de l'Université de Californie à San Diego a développé un « autocollant » de mesure de force RFID ultra-mince pour aider à mesurer ces phénomènes.

ForceSticker a été développé à partir de l'intégration de deux composants principaux : un minuscule condensateur de quelques millimètres d'épaisseur et de la taille d'un grain de riz, et une étiquette RFID ultra-haute fréquence commerciale de 900 MHz. Les chercheurs ont intégré les deux composants afin de pouvoir mesurer la force appliquée et transmettre sans fil les informations à un Lecteur RFID standard.

Une fine couche de polymère flexible est placée entre deux bandes de cuivre conductrices du condensateur pour former le condensateur. Lorsqu'une force externe agit sur le polymère, il se comprime, ce qui rapproche les bandes de cuivre et augmente la charge à l'intérieur du condensateur.

La conception de cet autocollant de mesure de force a été inspirée par une observation attentive des changements de capacité. Lorsqu'une force externe est appliquée, le polymère se comprime, rapprochant les bandes de cuivre, augmentant ainsi la capacité. Grâce à cette conception, les chercheurs peuvent évaluer les capacités de commutation du capteur sur la base d'une conception de plage de capacité optimisée dérivée de la modélisation RF mathématique et effectuer des simulations multiphysiques dans COMSOL.

Dans l'application réelle du ForceSticker, les chercheurs ont utilisé deux implémentations de capteurs 4×2 mm différentes avec différentes couches de polymère Ecoflex (un polymère biodégradable à base de silicium catalysé au platine) et de néoprène couvrant des plages de 0 à 6 N et de 0 à 40 N, les erreurs de lecture étant respectivement de 0,25 N et 1,6 N. De plus, ils ont testé le ForceSticker sous contrainte plus de 10 000 fois et n'ont constaté aucune réduction significative des erreurs.

Cette étiquette RFID passive utilise la rétrodiffusion pour la transmission d'énergie et de données. Elle reçoit le signal radio entrant du lecteur RFID, modifie le signal par des changements électriques induits par le condensateur, puis renvoie le signal modifié au lecteur RFID, qui l'interprète et le convertit en force. Cette méthode insère directement la transformation de phase RF analogique générée par le capteur dans le chemin du canal sans fil de l'étiquette électronique RFID, créant ainsi une liaison de rétrodiffusion analogique-numérique.

Lors du processus d'intégration du capteur, l'un des principaux défis est la conception de l'interface du capteur. Pour permettre l'intégration du capteur sans perdre la fidélité du signal, les chercheurs ont utilisé une approche de guide d'ondes coplanaire à impédance adaptée. De plus, afin d'obtenir ce réglage de sensibilité, le condensateur doit avoir une « valeur nominale » correctement conçue à force nulle. Ceci est déterminé par diverses équations non linéaires qui modélisent cette situation, en tenant compte de l'impédance et du coefficient de réflexion de la ligne de transmission.

Lors de la simulation de l'interface entre les capteurs capacitifs et l'identification numérique RFID, les chercheurs l'ont fait en insérant le capteur entre une antenne et une étiquette RFID en parallèle avec les deux. Cependant, les chercheurs notent qu'il existe deux soi-disant « dégénérés » solutions (ce qui signifie qu'au moins une variable fondamentale est nulle). L'une des solutions suppose que tous les changements de phase sont réfléchis directement par le capteur et qu'aucun signal n'atteint le Module RFID. Une autre solution suppose que le mode de commutation capacitif du capteur fonctionne réellement. Les deux solutions fournissent des indications pour une optimisation plus poussée de la technologie.

Dans l'ensemble, cette équipe de l'Université de Californie à San Diego (UCSD) a démontré ce qui est possible en matière de percées techniques en développant le ForceSticker, un autocollant innovant de mesure de force. En intégrant des microcondensateurs et des étiquettes RFID commerciales, ils ont créé un appareil qui mesure la force appliquée et transmet les informations sans fil.

« Les humains naissent avec une capacité inhérente à ressentir la force », a déclaré Dinesh Bharadia, professeur à l'École d'Ingénierie de l'UC San Diego, dans un communiqué de l'école. « Cela nous donne la possibilité d'interagir de manière transparente avec notre environnement et permet aux cliniciens d'effectuer des interventions chirurgicales délicates. L'intégration de cette capacité à détecter les forces dans les appareils électroniques et les implants médicaux pourrait révolutionner de nombreux secteurs. »

Et cette technologie a non seulement le potentiel pour des applications médicales et industrielles, mais peut également être utilisée pour mesurer le poids du fond des emballages d'entrepôt. Grâce à la recherche et à l'innovation continuesNous avons des raisons de croire que d’autres avancées comme celle-ci amélioreront nos vies et notre travail à l’avenir.