Sensores de fuerza inalámbricos, sin batería: Medición precisa entre objetos en contacto

Universidad de California San Diego, La Jolla, CA

Esta llamada «etiqueta de fuerza» es un dispositivo electrónico delgado y flexible que mide fuerzas entre objetos en contacto. (Imagen: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering)

Ingenieros de UC San Diego han desarrollado «etiquetas» electrónicas que miden la fuerza ejercida por un objeto sobre otro. Las etiquetas de fuerza son inalámbricas, funcionan sin baterías y caben en espacios reducidos. Eso las hace versátiles para amplia gama de aplicaciones: desde dotar a robots de sentido del tacto hasta elevar experiencia inmersiva de VR/AR, hacer dispositivos biomédicos más inteligentes, monitorizar seguridad de equipos industriales, y mejorar precisión y eficiencia de gestión de inventario en almacenes.

Ejemplos de uso

• En implantes de rodilla para medir fuerzas que el implante ejerce sobre la articulación. Sentir cambios en estas fuerzas útil para monitorizar ajuste, desgaste.
• En fondo de paquetes de almacén para medir peso de contenido, actuando como mini-básculas para control de inventario.

«Estas etiquetas de fuerza podrían hacer tecnología más inteligente, interactiva e intuitiva», dice Dinesh Bharadia, profesor de Ingeniería Eléctrica y Computación en UC San Diego Jacobs School of Engineering. «Los humanos, por naturaleza, tenemos capacidad innata de sentir fuerza. Esto nos permite interactuar sin problemas con entorno y permite a clínicos realizar procedimientos quirúrgicos delicados. Proveer esta capacidad de sensado de fuerza a dispositivos electrónicos e implantes médicos podría cambiar las reglas en muchas industrias».

Componentes y principio

Etiquetas de fuerza constan de dos componentes principales:

1. Pequeño capacitor de pocos mm de grosor y tamaño de grano de arroz.
2. Etiqueta de identificación por radiofrecuencia (RFID), dispositivo que funciona como código de barras legible inalámbricamente con señales de radio.

Investigadores integraron ambos componentes inteligentemente para que midan fuerza aplicada y comuniquen info inalámbricamente a lector RFID.

Capacitor: lámina de polímero blando entre dos tiras de cobre conductoras. Al aplicar fuerza externa, polímero se comprime, acercando tiras de cobre, aumentando carga eléctrica en capacitor.

Este aumento de carga por fuerza aplicada es clave, porque crea cambios en señal transmitida por etiqueta RFID. Un lector RFID remoto mide estos cambios y los traduce a magnitud específica de fuerza aplicada. Esta técnica de crear cambios en señal RFID permite miniaturizar componentes. En comparación, métodos previos para crear cambios en señal RFID requerían componentes mil veces mayores.

Mientras tanto, etiqueta RFID funciona con energía extremadamente baja transmitiendo señales de radio via backscattering. Toma señales de radio entrantes de lector RFID, modifica señales vía cambios eléctricos inducidos por capacitor, y refleja señales modificadas de vuelta al lector, que las descifra y traduce a fuerza aplicada.

Resultado: etiquetas de fuerza funcionan esencialmente sin energía. «Diseño es realmente simple con electrónica mínima», dice Agrim Gupta, primer autor, doctorando en ingeniería eléctrica y computación en laboratorio de Bharadia.

Personalización y pruebas

Otra característica: capacitor personalizable para distintos rangos de fuerza. Reemplazando capa de polímero por uno más blando o rígido, el capacitor se adapta para medir fuerzas menores o mayores, respectivamente.

Para demostrar, construyeron y probaron dos tipos de etiquetas. Una con polímero súper blando para fuerzas pequeñas, apta para experimentos en modelo de rodilla. Colocada en la articulación, midió con precisión distintas fuerzas aplicadas al empujar la articulación. Segunda, con polímero más rígido, probada en experimento de empaquetado de almacén. Adherida a fondo de caja, midió con precisión peso de cantidades variables de objetos en la caja.

En pruebas, etiquetas de fuerza fueron extremadamente duraderas. Aguantaron más de 10.000 aplicaciones de fuerza y permanecieron consistentemente precisas. Además, se fabrican a bajo costo, cada etiqueta <2 $, señalan investigadores.

«Si comercializamos esta tecnología, imaginamos que en futuro una caja de ellas se venda barato, como caja de tiritas», dice Gupta. Futuro: hacer etiquetas legibles por smartphones, eliminando necesidad de lectores RFID.

Para más información, contactar a Liezel Labios en [correo protegido]; 858-246-1124.