Sensores de fuerza inalámbricos y sin batería:medición precisa entre objetos en contacto

Universidad de California en San Diego, La Jolla, CA

Esta llamada “pegatina de fuerza” es un dispositivo electrónico delgado y flexible que mide las fuerzas entre objetos en contacto. (Imagen:David Baillot/Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego)

Ingenieros de la Universidad de California en San Diego han desarrollado "pegatinas" electrónicas que miden la fuerza ejercida por un objeto sobre otro. Las pegatinas Force son inalámbricas, funcionan sin pilas y caben en espacios reducidos. Eso los hace versátiles para una amplia gama de aplicaciones, desde dotar a los robots de un sentido del tacto hasta mejorar la experiencia inmersiva de la realidad virtual y la realidad aumentada, hacer que los dispositivos biomédicos sean más inteligentes, monitorear la seguridad de los equipos industriales y mejorar la precisión y eficiencia de la gestión de inventario en los almacenes.

Podrían utilizarse, por ejemplo, en implantes de rodilla para medir las fuerzas que los implantes ejercen sobre la articulación. Tener la capacidad de detectar cambios en estas fuerzas puede resultar útil para controlar el ajuste de un implante, así como su desgaste. También se podrían colocar pegatinas de fuerza en la parte inferior de los paquetes almacenados para medir el peso de su contenido, actuando como básculas en miniatura para verificar el inventario.

"Estas pegatinas de fuerza podrían hacer que la tecnología sea más inteligente, interactiva e intuitiva", dijo Dinesh Bharadia, profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego. "Los humanos, por naturaleza, poseemos una capacidad inherente para sentir la fuerza. Esto nos permite interactuar sin problemas con nuestro entorno y permite a los médicos realizar procedimientos quirúrgicos delicados. Proporcionar esta capacidad de detección de fuerza a dispositivos electrónicos e implantes médicos podría cambiar las reglas del juego para muchas industrias".

Las pegatinas de fuerza constan de dos componentes principales. Uno es un condensador diminuto que tiene sólo unos pocos milímetros de espesor y aproximadamente del tamaño de un grano de arroz. El otro componente es una pegatina de identificación por radiofrecuencia (RFID), que es un dispositivo que funciona como un código de barras que se puede leer de forma inalámbrica mediante señales de radio. Los investigadores encontraron una forma inteligente de integrar estos dos componentes para poder medir la fuerza aplicada por un objeto y comunicar esa información de forma inalámbrica a un lector RFID.

El condensador está hecho de una lámina de polímero suave intercalada entre dos tiras de cobre conductoras. Cuando se aplica una fuerza externa, el polímero se comprime, acercando las tiras de cobre, aumentando así la carga eléctrica en el condensador.

Este aumento de la carga eléctrica como resultado de la fuerza aplicada es clave, según muestran los investigadores, porque crea cambios en la señal transmitida por la etiqueta RFID. Un lector RFID mide de forma remota estos cambios y los traduce en una magnitud específica de fuerza aplicada. Esta técnica particular de crear cambios en la señal RFID permite miniaturizar los componentes dentro de la etiqueta de fuerza. En comparación, los métodos anteriores para crear cambios en la señal RFID requerían componentes mil veces más grandes.

Mientras tanto, la etiqueta RFID funciona con una potencia extremadamente baja transmitiendo señales de radio mediante una técnica llamada retrodispersión. Toma señales de radio entrantes de un lector RFID, modifica las señales mediante cambios eléctricos inducidos por el condensador y luego refleja las señales modificadas de regreso al lector, que las descifra y las traduce en fuerza aplicada.

Como resultado, las pegatinas de fuerza prácticamente no funcionan con energía. "El diseño es realmente simple con un mínimo de electrónica", dijo el primer autor del estudio, Agrim Gupta, doctor en ingeniería eléctrica e informática. estudiante en el laboratorio de Bharadia.

Otra característica del diseño es que el condensador se puede personalizar para varios rangos de fuerza. Al reemplazar la capa de polímero por una más blanda o más rígida, el condensador se puede adaptar para medir fuerzas mayores o menores, respectivamente.

Para demostrarlo, los investigadores construyeron y probaron dos tipos de pegatinas de fuerza. En una pegatina, el condensador se construyó con un polímero súper suave para medir fuerzas más pequeñas, lo que lo hace adecuado para su uso en experimentos en un modelo de articulación de rodilla. Colocada dentro de la articulación, la pegatina de fuerza midió con precisión las diferentes fuerzas aplicadas mientras los investigadores empujaban la articulación. La segunda pegatina, en la que el condensador estaba construido con un polímero más rígido, se probó en un experimento de embalaje en un almacén. Adjunto a la parte inferior de una caja, midió con precisión el peso de diferentes cantidades de objetos colocados en la caja.

En las pruebas, las pegatinas de fuerza resultaron extremadamente duraderas. Resistieron más de 10.000 aplicaciones de fuerza y ​​mantuvieron su precisión constante. Además, se pueden fabricar a bajo costo y cada pegatina cuesta menos de 2 dólares, anotaron los investigadores.

"Si podemos comercializar esta tecnología, imaginamos que en el futuro una caja de ellas podría venderse a bajo costo, como una caja de tiritas", dijo Gupta. En el futuro, los investigadores pretenden hacer que las pegatinas de fuerza sean legibles en teléfonos inteligentes, lo que eliminaría la necesidad de lectores RFID.

Para obtener más información, comuníquese con Liezel Labios en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita activar JavaScript para verlo.; 858-246-1124.