In het afgelopen decennium is een belangrijke trend in de elektronica is de ontwikkeling van sensoren, displays en slimme apparaten die naadloos in het menselijk lichaam zijn geïntegreerd. De meeste van deze draagbare apparaten zijn afzonderlijk verbonden met de smartphone van een gebruiker en verzenden alle gegevens via Bluetooth of Wi-Fi-signalen. Maar naarmate consumenten steeds meer draagbare apparaten dragen, en naarmate de gegevens die ze verzenden, steeds verfijnder worden, er wordt gezocht naar meer innovatieve verbindingsmethoden.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de National University of Singapore (NUS) hebben een geheel nieuwe manier bedacht om draagbare apparaten met elkaar te verbinden. Ze verwerkten geleidend textiel in kleding om verschillende draagbare apparaten tegelijk dynamisch met elkaar te verbinden. Met dit "draadloze lichaamssensornetwerk" kunnen apparaten gegevens verzenden met 1, 000 keer sterker signaal dan conventionele technologieën, wat betekent dat de levensduur van de batterij van alle apparaten drastisch wordt verbeterd. Draadloze netwerken van deze draagbare apparaten op een lichaam hebben toekomstige toepassingen in gezondheidsmonitoring, medische interventies en mens-machine-interfaces.

Deze technologische doorbraak, waarvoor het 10-koppige team een ​​jaar nodig had om te bereiken, werd gepubliceerd als de omslag van Natuur Elektronica op 17 juni 2019.

Betere gegevensoverdracht, meer privacy

Momenteel, bijna alle lichaamssensoren zoals slimme horloges maken verbinding met smartphones en andere draagbare elektronica via radiogolven zoals Bluetooth en Wi-Fi. Deze golven stralen in alle richtingen naar buiten, wat betekent dat de meeste energie verloren gaat aan de omgeving. Deze verbindingsmethode vermindert drastisch de efficiëntie van de draagbare technologie, aangezien het grootste deel van de levensduur van de batterij wordt verbruikt bij het proberen verbinding te maken.

Als zodanig, Universitair docent John Ho en zijn team van het Institute for Health Innovation &Technology (NUS iHealthtech) en de NUS Faculty of Engineering wilden de signalen tussen de sensoren dichter bij het lichaam beperken om de efficiëntie te verbeteren.

Hun oplossing was om gewone kleding te verbeteren met geleidend textiel dat bekend staat als metamaterialen. In plaats van golven de omringende ruimte in te sturen, deze metamaterialen zijn in staat om "oppervlaktegolven" te creëren die draadloos over het lichaam op de kleding kunnen glijden. Dit betekent dat de energie van het signaal tussen apparaten dicht bij het lichaam wordt gehouden in plaats van in alle richtingen te worden verspreid. Vandaar, de draagbare elektronica verbruikt veel minder stroom dan normaal, en de apparaten kunnen veel zwakkere signalen detecteren.

"Deze innovatie zorgt voor de perfecte overdracht van gegevens tussen apparaten met vermogensniveaus van 1, 000 keer verlaagd. Of, alternatief, deze metamateriaaltextiel zou het ontvangen signaal met 1 kunnen versterken 000 keer wat je dramatisch hogere datasnelheden zou kunnen geven voor hetzelfde vermogen, " Asst Prof Ho verklaarde. In feite, het signaal tussen apparaten is zo sterk dat het mogelijk is om draadloos stroom van een smartphone naar het apparaat zelf te verzenden, wat de deur opent voor draagbare apparaten zonder batterij.

Cruciaal, deze signaalversterking vereist geen wijzigingen aan de smartphone of het Bluetooth-apparaat - het metamateriaal werkt met elk bestaand draadloos apparaat in de ontworpen frequentieband.

Deze inventieve manier van netwerken van apparaten biedt ook meer privacy dan conventionele methoden. Momenteel, radiogolven zenden signalen uit op enkele meters afstand van de persoon die het apparaat draagt, wat betekent dat persoonlijke en gevoelige informatie kwetsbaar kan zijn voor potentiële afluisteraars. Door het draadloze communicatiesignaal te beperken tot 10 centimeter van het lichaam, Asst Prof Ho en zijn team hebben een netwerk gecreëerd dat veiliger is.

Intelligent ontwerp, verbeterde mogelijkheden

Het team heeft een eerstejaars voorlopig patent op het metamateriaal textielontwerp, die bestaat uit een kamvormige strook metamateriaal bovenop de kleding met daaronder een ongedessineerde geleiderlaag. Deze strips kunnen vervolgens op kleding worden aangebracht in elk patroon dat nodig is om alle delen van het lichaam te verbinden. Het metamateriaal zelf is kosteneffectief, in het bereik van een paar dollar per meter, en kan gemakkelijk op rollen worden gekocht.

"We begonnen met een specifiek metamateriaal dat zowel plat was als oppervlaktegolven kon ondersteunen. We moesten de structuur opnieuw ontwerpen zodat het kon werken op de frequenties die worden gebruikt voor Bluetooth en Wi-Fi, goed presteren, zelfs dicht bij het menselijk lichaam, en kan in massa worden geproduceerd door vellen geleidend textiel te snijden, " legde Asst Prof Ho uit.

Het specifieke ontwerp van het team is gemaakt met behulp van een computermodel om succesvolle communicatie in het radiofrequentiebereik te garanderen en de algehele efficiëntie te optimaliseren. De slimme kleding wordt vervolgens gefabriceerd door het geleidende metamateriaal te lasersnijden en de strips te bevestigen met textiellijm.

Eenmaal gemaakt, de "slimme" kleding is zeer robuust. Ze kunnen worden gevouwen en gebogen met minimaal verlies aan signaalsterkte, en de geleidende strips kunnen zelfs worden gesneden of gescheurd, zonder de draadloze mogelijkheden te belemmeren. De kleding kan ook gewassen worden, droog, en gestreken net als normale kleding.

Volgende stappen

Het team is in gesprek met potentiële partners om deze technologie te commercialiseren, en in de nabije toekomst hoopt Asst Prof Ho het "slimme" textiel te testen als gespecialiseerde sportkleding en voor ziekenhuispatiënten om prestaties en gezondheid te monitoren. Mogelijke toepassingen kunnen enorm variëren:van het meten van de vitale functies van een patiënt zonder hun bewegingsvrijheid te belemmeren, om het volume in de draadloze hoofdtelefoon van een atleet met een enkele handbeweging aan te passen.

"We stellen ons voor dat het schenken van sportkleding, medische kleding en andere kleding met zulke geavanceerde elektromagnetische capaciteiten kan ons vermogen om de wereld om ons heen waar te nemen en ermee om te gaan, verbeteren, " zei Asst Prof Ho.