ワイヤレス、バッテリー不要の力センサー:接触する物体間の正確な測定

カリフォルニア大学サンディエゴ校、カリフォルニア州ラホーヤ

このいわゆる「フォース ステッカー」は、接触している物体間の力を測定する、薄くて柔軟な電子デバイスです。 (画像:David Baillot/カリフォルニア大学サンディエゴ・ジェイコブス工学部)

カリフォルニア大学サンディエゴ校の技術者は、ある物体が別の物体に及ぼす力を測定する電子「ステッカー」を開発した。フォース ステッカーはワイヤレスで、バッテリーなしで動作し、狭いスペースにもフィットします。そのため、ロボットの触覚の装備から VR や AR の没入型体験の向上、生体医療機器のスマート化、産業機器の安全性の監視、倉庫での在庫管理の精度と効率の向上に至るまで、幅広い用途に多用途に使用できます。

たとえば、膝インプラントに使用して、インプラントが関節に及ぼす力を測定することができます。これらの力の変化を感知できる機能は、インプラントのフィット感や磨耗を監視するのに役立ちます。 Force ステッカーを倉庫の荷物の底に貼り、内容物の重量を測定し、在庫を確認するための小型秤として機能させることもできます。

「これらのフォースステッカーは、テクノロジーをよりインテリジェントでインタラクティブかつ直観的なものにする可能性があります」とカリフォルニア大学サンディエゴ・ジェイコブス工学部の電気・コンピュータ工学教授ディネシュ・バラディア氏は述べています。 「人間は本来、力を感知する固有の能力を持っています。これにより、周囲とシームレスに対話できるようになり、臨床医が繊細な外科手術を実行できるようになります。この力感知能力を電子機器や医療用インプラントに提供することは、多くの業界にとって大きな変革となる可能性があります。」

フォース ステッカーは 2 つの主要なコンポーネントで構成されます。 1 つは、薄さわずか数ミリメートル、米粒ほどの小さなコンデンサです。もう 1 つのコンポーネントは、無線周波数識別 (RFID) ステッカーです。これは、無線信号を使用してワイヤレスで読み取ることができるバーコードのように機能するデバイスです。研究者らは、これら 2 つのコンポーネントを統合する賢い方法を発見しました。これにより、物体によって加えられる力を測定し、その情報を RFID リーダーにワイヤレスで通信できるようになります。

コンデンサは、2 つの導電性銅ストリップの間に挟まれた軟質ポリマー シートでできています。外力が加わるとポリマーが圧縮して銅ストリップが互いに近づくため、コンデンサ内の電荷が増加します。

加えられた力の結果としてのこの電荷の増加が、RFID ステッカーによって送信される信号に変化を引き起こすため、重要であることが研究者らは示しています。 RFID リーダーはこれらの変化をリモートで測定し、加えられた力の特定の大きさに変換します。 RFID 信号に変化をもたらすこの特別な技術により、フォース ステッカー内のコンポーネントを小型化できます。これに比べ、RFID 信号に変化をもたらす以前の方法では、サイズが 1,000 倍も大きいコンポーネントが必要でした。

一方、RFID ステッカーは、後方散乱と呼ばれる技術を介して無線信号を送信することにより、非常に低い電力で動作します。 RFID リーダーから受信した無線信号を受信し、コンデンサーによって引き起こされる電気的変化によって信号を変更し、変更された信号をリーダーに反射して読み取り、加えられた力に変換します。

その結果、フォース ステッカーは基本的に電力を必要とせずに動作します。 「設計は最小限の電子機器を備えた非常にシンプルです」と、研究の筆頭著者で電気・コンピュータ工学博士のアグリム・グプタ氏は述べた。バラディアの研究室の学生。

もう 1 つの設計上の特徴は、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。ポリマー層をより柔らかいものまたはより硬いものに置き換えることにより、コンデンサはそれぞれより小さな力またはより大きな力を測定するように調整できます。

実証するために、研究者らは 2 種類のフォース ステッカーを作成してテストしました。あるステッカーでは、小さな力を測定するためにコンデンサーが超軟質ポリマーで作られており、膝関節モデルでの実験での使用に適しています。フォースステッカーを関節内に配置すると、研究者が関節を押すときに加えられたさまざまな力が正確に測定されました。 2 番目のステッカーは、コンデンサーがより硬いポリマーで構成されており、倉庫の梱包実験でテストされました。箱の下側に取り付けられ、箱の中に置かれたさまざまな量の物の重量を正確に測定しました。

テストでは、フォースステッカーは非常に耐久性が高いことがわかりました。これらは 10,000 回を超える力の適用に耐え、一貫した精度を維持しました。さらに、ステッカーは低コストで製造でき、ステッカー 1 枚あたりの価格は 2 ドル未満であると研究者らは指摘しました。

「この技術を商品化できれば、将来的には絆創膏の箱のように、1箱が安価に販売されるようになるだろう」とグプタ氏は語った。研究者らは今後、フォース ステッカーをスマートフォンで読み取れるようにすることを目指しています。これにより、RFID リーダーが不要になります。

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