Sensores de Força Sem Fio, Sem Bateria: Medição Precisa Entre Objetos em Contato

Universidade da Califórnia San Diego, La Jolla, CA

Este chamado "adesivo de força" é um dispositivo eletrônico fino e flexível que mede forças entre objetos em contato. (Imagem: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering)

Engenheiros da Universidade da Califórnia San Diego desenvolveram "adesivos" eletrônicos que medem força exercida por um objeto sobre outro. Os adesivos de força são sem fio, funcionam sem baterias e cabem em espaços apertados. Isso os torna versáteis para ampla gama de aplicações, desde dotar robôs com sentido de tato até elevar experiência imersiva de VR e AR, tornar dispositivos biomédicos mais inteligentes, monitorar segurança de equipamentos industriais, e melhorar precisão e eficiência de gerenciamento de inventário em armazéns.

Aplicações Exemplos

Podem ser usados, por exemplo, em implantes de joelho para medir forças que implantes exercem sobre a articulação. Ter capacidade de detectar mudanças nestas forças pode ser útil para monitorar ajuste do implante, bem como desgaste. Adesivos de força também podem ser colocados no fundo de pacotes de armazém para medir peso do conteúdo, atuando como mini-balanças para verificação de inventário.

"Estes adesivos de força poderiam tornar tecnologia mais inteligente, interativa e intuitiva", disse Dinesh Bharadia, Professor de Engenharia Elétrica e de Computação na Escola de Engenharia Jacobs da UC San Diego. "Humanos, por natureza, possuem capacidade inerente de sentir força. Isso nos permite interagir perfeitamente com nosso entorno e permite clínicos realizar procedimentos cirúrgicos delicados. Fornecer esta capacidade de sensoriamento de força a dispositivos eletrônicos e implantes médicos poderia ser divisor de águas para muitas indústrias."

Componentes do Adesivo de Força

Adesivos de força consistem em dois componentes principais. Um é minúsculo capacitor com poucos milímetros de espessura e tamanho de grão de arroz. Outro componente é adesivo de identificação por radiofrequência (RFID), dispositivo que funciona como código de barras legível sem fio usando sinais de rádio. Pesquisadores encontraram forma inteligente de integrar estes dois componentes para que possam medir força aplicada por objeto e comunicar essa informação sem fio a leitor RFID.

Capacitor é feito de folha de polímero macio entre duas tiras de cobre condutivas. Quando força externa é aplicada, polímero comprime, aproximando tiras de cobre, aumentando carga elétrica no capacitor.

Este aumento de carga elétrica como resultado de força aplicada é chave, mostram pesquisadores, porque cria mudanças no sinal transmitido pelo adesivo RFID. Leitor RFID mede remotamente estas mudanças e as traduz em magnitude específica de força aplicada. Esta técnica particular de criar mudanças em sinal RFID permite que componentes dentro do adesivo de força sejam miniaturizados. Em comparação, métodos anteriores para criar mudanças em sinal RFID requeriam componentes mil vezes maiores.

Operação de Baixa Potência

Enquanto isso, adesivo RFID opera em potência extremamente baixa transmitindo sinais de rádio via técnica chamada retroespalhamento (backscattering). Pega sinais de rádio de entrada de leitor RFID, modifica sinais via mudanças elétricas induzidas pelo capacitor, e reflete sinais modificados de volta ao leitor, que decifra e traduz em força aplicada.

Como resultado, adesivos de força operam em essencialmente nenhuma potência. "Design é realmente simples com eletrônica mínima", disse primeiro autor do estudo Agrim Gupta, doutorando em engenharia elétrica e de computação no laboratório de Bharadia.

Personalização para Diferentes Faixas de Força

Outra característica de design é que capacitor pode ser personalizado para várias faixas de força. Substituindo camada de polímero por uma mais macia ou mais rígida, capacitor pode ser adaptado para medir forças menores ou maiores, respectivamente.

Demonstrações

Para demonstrar, pesquisadores construíram e testaram dois tipos de adesivos de força. Em um, capacitor foi construído com polímero super macio para medir forças menores, adequado para experimentos em modelo de joelho. Colocado na articulação, adesivo de força mediu com precisão diferentes forças aplicadas enquanto pesquisadores empurravam a articulação. Segundo adesivo, com capacitor de polímero mais rígido, foi testado em experimento de embalagem de armazém. Fixado na parte inferior de caixa, mediu com precisão peso de quantidades variadas de objetos colocados na caixa.

Em testes, adesivos de força foram extremamente duráveis. Suportaram mais de 10.000 aplicações de força e permaneceram consistentemente precisos. Além disso, podem ser fabricados a baixo custo, com cada adesivo custando menos de $2, notaram pesquisadores.

"Se pudermos comercializar esta tecnologia, imaginamos que no futuro uma caixa deles poderia ser vendida barato, como caixa de Band-Aids", disse Gupta. Avançando, pesquisadores visam tornar adesivos de força legíveis por smartphones, eliminando necessidade de leitores RFID.

Para mais informações, contate Liezel Labios em [e-mail protegido]; 858-246-1124.