パッシブ「フォース」ステッカーが精密測定を再定義 - IOTE IoT Exhibition

物体間にかかる力の測定は複雑なプロセスです。簡単そうに聞こえますが、実際には簡単ではありません。接触している 2 つの物体は、互いに何らかの力を及ぼします。これは、重力または機械的接触 (プラットフォーム上の物体の重量や人間の膝関節の 2 つの骨の接触など) によるものである可能性があります。

この力をより効率的かつ便利に測定するために、カリフォルニア大学サンディエゴ校の研究チームは、これらの現象の測定を支援する電子「ステッカー」を開発しました。

これらのパワー ステッカーはコードレスで電池を必要とせず、狭いスペースにも収まるので、さまざまな業界のさまざまな用途に適しています。技術者らによると、この装置は膝インプラントに使用され、インプラントによって関節にかかる圧力を定量的に測定できる可能性があるという。これらの力の変化を監視することは、インプラントの適合性と摩耗を評価するために重要です。

カリフォルニア大学サンディエゴ校工学部のディネシュ・バラディア教授は、同校の声明で次のように述べた。 「私たちの周囲の環境に配慮し、臨床医がきめ細かい外科手術を行うことも可能になります。力を感知するこの機能を電子機器や医療インプラントに導入すると、多くの業界に革命を起こす可能性があります。」

これらのパワー ステッカーは 2 つの主要な部分で構成されます。 1 つ目は、厚さ数ミリメートル、米粒ほどの大きさの小さなコンデンサです。もう 1 つのコンポーネントは、バーコードに似た無線周波数識別 (RFID) ステッカーで、電波を介してワイヤレスで読み取ることができます。研究者らは革新的な方法を使用して 2 つのコンポーネントを接続し、物体にかかる力を測定し、この情報を RFID リーダーにワイヤレスで送信しました。

コンデンサは、2 つの導電性銅ストリップの間に柔軟なポリマーの薄いシートを配置することによって作成されます。外力がポリマーに作用するとポリマーが圧縮され、銅ストリップが互いに近づき、コンデンサ内の電荷が増加します。

研究者らは、加えられた力による電荷の増加が、RFID タグによって生成される信号を変化させるのに重要であると指摘しました。 RFID リーダーはこれらの変化をリモートで監視し、対応する力の値に変換します。 RFID 信号を変更するこの方法では、フォース ステッカー内のコンポーネントを非常に小さくすることができ、RFID 信号を変更するために使用されていた以前の方法と比較してサイズを 1,000 分の 1 に縮小できます。

同時に、RFID ステッカーは後方散乱と呼ばれるメカニズムを通じて無線信号を送信し、消費電力は非常に低くなります。 RFID リーダーから無線信号を受信し、コンデンサーによる電荷変化によって信号を変化させ、変化した信号をリーダーに返します。リーダーはそれを解析して、対応する電力数値に変換します。したがって、このパワーステッカーの消費電力は非常に低くなります。

もう 1 つの設計面は、コンデンサをさまざまな力の範囲に合わせてカスタマイズできることです。柔らかいポリマー層または硬いポリマー層を変更することで、さまざまな範囲の圧力を監視するようにコンデンサを調整できます。

この研究では、研究者は実現可能性を検証するために 2 種類の強度ステッカーを作成およびテストしました。非常に柔らかいポリマーでコンデンサーが作られているフォース ステッカーは、小さな力を監視するために使用され、膝関節をシミュレートする研究での使用に適しています。フォースステッカーを関節に貼り付け、研究者が圧力を加えたところ、さまざまな力を正確に検出できました。より硬いポリマーコンデンサーを備えた 2 つ目のフォース ステッカーが、倉庫梱包の分野で実験的に評価されました。箱の底にテープで貼られており、箱の中に置かれたさまざまなアイテムの重量を正確に評価できます。

チームによると、テストでは、これらのパワー ステッカーは非常に優れたパフォーマンスを示しました。精度を維持しながら、10,000 回以上の力の適用に耐えることができます。さらに、研究者らによると、ステッカーは非常に低コストで製造でき、ステッカー 1 枚あたりのコストは 2 ドル未満です。

ただし、このテクノロジーには限界もあり、科学者らは、これらのフォース ステッカーは静的な環境でのみ機能し、非常に動的な状況には適さないと指摘しています。

電気・コンピュータ工学の博士課程の学生で研究共著者のアグリム・グプタ氏は、「この技術を商品化できれば、将来的にはこれらのステッカーがバンドエイドと同じくらい安価で販売できるようになる可能性がある」と述べた。

この研究の詳細は ACM に掲載されています。

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