สติ๊กเกอร์วัดแรง RFID กำหนดการวัดที่แม่นยำอีกครั้ง

วัตถุสองชิ้นที่สัมผัสกันจะออกแรงกระทำต่อกันและกัน ซึ่งอาจเกิดจากแรงโน้มถ่วงหรือการสัมผัสทางกล เช่น น้ำหนักของวัตถุบนแท่น หรือการสัมผัสของกระดูกสองชิ้นที่ข้อเข่าของมนุษย์ เพื่อวัดแรงนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพและสะดวกยิ่งขึ้น ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโกได้พัฒนา "สติกเกอร์" การวัดแรง RFID แบบบางพิเศษ เพื่อช่วยในการวัดปรากฏการณ์เหล่านี้

ForceSticker ได้รับการพัฒนาจากการบูรณาการของสององค์ประกอบหลัก: ตัวเก็บประจุขนาดเล็กที่มีความหนาเพียงไม่กี่มิลลิเมตรและมีขนาดประมาณเมล็ดข้าว และแท็ก RFID ความถี่สูงพิเศษ 900MHz เชิงพาณิชย์ นักวิจัยได้รวมองค์ประกอบทั้งสองเข้าด้วยกันเพื่อให้สามารถวัดแรงที่ใช้และส่งข้อมูลแบบไร้สายไปยังเครื่องอ่าน RFID มาตรฐาน

ชั้นบางๆ ของโพลีเมอร์ยืดหยุ่นจะถูกวางอยู่ระหว่างแถบทองแดงนำไฟฟ้าสองแถบของตัวเก็บประจุเพื่อสร้างตัวเก็บประจุ เมื่อแรงภายนอกกระทำต่อโพลีเมอร์ จะบีบอัด ทำให้แถบทองแดงเคลื่อนเข้ามาใกล้กัน ทำให้ประจุภายในตัวเก็บประจุเพิ่มขึ้น

การออกแบบสติกเกอร์วัดแรงนี้ได้รับแรงบันดาลใจจากการสังเกตการเปลี่ยนแปลงของความจุไฟฟ้าอย่างกระตือรือร้น เมื่อใช้แรงภายนอก โพลีเมอร์จะบีบอัด และดึงแถบทองแดงเข้ามาใกล้กัน จึงเป็นการเพิ่มความจุ ด้วยการออกแบบนี้ นักวิจัยสามารถประเมินความสามารถในการสลับของเซ็นเซอร์โดยอิงตามการออกแบบช่วงความจุที่ได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสมซึ่งได้มาจากการสร้างแบบจำลอง RF ทางคณิตศาสตร์ และทำการจำลองแบบหลายฟิสิกส์ใน COMSOL

ในการใช้งานจริงของ ForceSticker นักวิจัยได้ใช้เซ็นเซอร์ขนาด 4×2 มม. ที่แตกต่างกันสองตัวซึ่งมีชั้นโพลีเมอร์ Ecoflex ที่แตกต่างกัน (พอลิเมอร์ที่ใช้ซิลิคอนเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาแพลตตินัมที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ) และนีโอพรีนที่ครอบคลุมช่วง 0 ถึง 6 N และ 0 ถึง 40 N ข้อผิดพลาดในการอ่านคือ 0.25 N และ 1.6 N ตามลำดับ นอกจากนี้ พวกเขาได้ทดสอบความเครียดของ ForceSticker มากกว่า 10,000 ครั้ง และพบว่าไม่มีการลดข้อผิดพลาดอย่างมีนัยสำคัญ

แท็ก RFID แบบพาสซีฟนี้ใช้การกระจายกลับสำหรับการส่งพลังงานและข้อมูล โดยจะรับสัญญาณวิทยุขาเข้าจากเครื่องอ่าน RFID ปรับเปลี่ยนสัญญาณผ่านการเปลี่ยนแปลงทางไฟฟ้าที่เกิดจากตัวเก็บประจุ จากนั้นสะท้อนสัญญาณที่แก้ไขกลับไปยังเครื่องอ่าน RFID ซึ่งจะตีความและแปลงสัญญาณให้มีผล วิธีการนี้จะแทรกการแปลงเฟส RF แบบอะนาล็อกที่สร้างขึ้นโดยเซ็นเซอร์โดยตรงลงในเส้นทางช่องสัญญาณไร้สายของแท็กอิเล็กทรอนิกส์ RFID เพื่อสร้างลิงก์กระจายกลับแบบอะนาล็อกเป็นดิจิทัล

ในกระบวนการบรรลุการรวมเซ็นเซอร์ ความท้าทายที่สำคัญคือการออกแบบอินเทอร์เฟซของเซ็นเซอร์ เพื่อให้สามารถบูรณาการเซ็นเซอร์ได้โดยไม่สูญเสียความเที่ยงตรงของสัญญาณ นักวิจัยได้ใช้วิธีการนำคลื่น coplanar ที่มีอิมพีแดนซ์ที่ตรงกัน นอกจากนี้ เพื่อให้ได้การปรับความไวนี้ ตัวเก็บประจุต้องมี "ค่าระบุ" ที่ออกแบบอย่างเหมาะสม ด้วยแรงเป็นศูนย์ สิ่งนี้ถูกกำหนดโดยสมการไม่เชิงเส้นต่างๆ ที่จำลองสถานการณ์นี้ โดยคำนึงถึงค่าสัมประสิทธิ์อิมพีแดนซ์และการสะท้อนของสายส่ง

เมื่อจำลองอินเทอร์เฟซระหว่างเซ็นเซอร์ capacitive และ RFID ระบุตัวตนแบบดิจิทัล นักวิจัยทำได้โดยการใส่เซ็นเซอร์ระหว่างเสาอากาศและแท็ก RFID ขนานกับทั้งสอง อย่างไรก็ตาม นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่ามีสองสิ่งที่เรียกว่า "ความเสื่อม" คำตอบ (หมายถึงตัวแปรพื้นฐานอย่างน้อยหนึ่งตัวเป็นศูนย์) วิธีแก้ปัญหาอย่างหนึ่งสันนิษฐานว่าการเปลี่ยนแปลงเฟสทั้งหมดสะท้อนโดยตรงจากเซ็นเซอร์ และไม่มีสัญญาณใดไปถึงโมดูล RFID วิธีแก้ไขปัญหาอื่นถือว่าโหมดการสลับ capacitive ของเซ็นเซอร์ทำงานได้จริง โซลูชันทั้งสองให้คำแนะนำในการเพิ่มประสิทธิภาพเทคโนโลยีเพิ่มเติม

โดยรวมแล้ว ทีมงานจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก (UCSD) ได้สาธิตสิ่งที่เป็นไปได้ในความก้าวหน้าทางวิศวกรรมโดยการพัฒนา ForceSticker ซึ่งเป็นสติกเกอร์วัดแรงที่เป็นนวัตกรรมใหม่ ด้วยการบูรณาการไมโครคาปาซิเตอร์และแท็ก RFID เชิงพาณิชย์ พวกเขาสร้างอุปกรณ์ที่ใช้วัดแรงที่ใช้และส่งข้อมูลแบบไร้สาย

"มนุษย์เกิดมาพร้อมกับความสามารถในการรับรู้ถึงพลังโดยธรรมชาติ" Dinesh Bharadia ศาสตราจารย์จาก School of Engineering ของ UC San Diego กล่าวในแถลงการณ์จากโรงเรียน "สิ่งนี้ทำให้เราสามารถโต้ตอบกับสภาพแวดล้อมของเราได้อย่างราบรื่น และช่วยให้แพทย์สามารถดำเนินการขั้นตอนการผ่าตัดที่ละเอียดอ่อนได้ การนำความสามารถในการรับรู้แรงนี้มาสู่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และการปลูกถ่ายทางการแพทย์สามารถปฏิวัติอุตสาหกรรมต่างๆ ได้"

และเทคโนโลยีนี้ไม่เพียงแต่มีศักยภาพสำหรับการใช้งานทางการแพทย์และอุตสาหกรรมเท่านั้น แต่ยังสามารถใช้เพื่อวัดน้ำหนักด้านล่างของบรรจุภัณฑ์ในคลังสินค้าอีกด้วย ผ่านการวิจัยและนวัตกรรมอย่างต่อเนื่องเรามีเหตุผลที่เชื่อได้ว่าจะมีความก้าวหน้าเช่นนี้อีกมากมายเพื่อปรับปรุงชีวิตและการทำงานของเราในอนาคต