배터리가 필요 없는 무선 힘 센서:접촉하는 물체 간 정밀 측정

캘리포니아 대학교 샌디에고 캠퍼스(캘리포니아주 라호야)

소위 '포스 스티커'라고 불리는 이 장치는 접촉하는 물체 사이의 힘을 측정하는 얇고 유연한 전자 장치입니다. (이미지:David Bailot/UC San Diego Jacobs 공과대학)

캘리포니아 대학교 샌디에고 캠퍼스의 엔지니어들은 한 물체가 다른 물체에 가하는 힘을 측정하는 전자 “스티커”를 개발했습니다. 포스 스티커는 무선이며 배터리 없이 작동하며 좁은 공간에 적합합니다. 이를 통해 촉각을 갖춘 로봇 무장부터 VR 및 AR의 몰입형 경험 향상, 생체의학 장치의 스마트화, 산업 장비의 안전 모니터링, 창고 재고 관리의 정확성과 효율성 향상에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 다용도로 사용할 수 있습니다.

예를 들어 무릎 임플란트에서 임플란트가 관절에 가하는 힘을 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 힘의 변화를 감지하는 능력은 임플란트의 적합성과 마모 및 파손을 모니터링하는 데 유용할 수 있습니다. 포스 스티커는 창고 패키지 바닥에 부착하여 내용물의 무게를 측정하고 재고 확인을 위한 소형 저울 역할을 할 수도 있습니다.

UC San Diego Jacobs School of Engineering의 전기 및 컴퓨터 공학 교수인 Dinesh Bharadia는 "이러한 힘 스티커는 기술을 더욱 지능적이고 상호 작용하며 직관적으로 만들 수 있습니다."라고 말했습니다. "인간은 본질적으로 힘을 감지하는 고유한 능력을 가지고 있습니다. 이를 통해 우리는 주변 환경과 원활하게 상호 작용할 수 있으며 임상의는 섬세한 수술 절차를 수행할 수 있습니다. 전자 장치 및 의료용 임플란트에 이러한 힘 감지 기능을 제공하면 많은 산업 분야의 판도를 바꿀 수 있습니다."

포스 스티커는 두 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다. 하나는 두께가 몇 밀리미터에 불과하고 쌀알만한 크기의 작은 커패시터입니다. 또 다른 구성 요소는 무선 주파수 식별(RFID) 스티커로, 무선 신호를 사용해 무선으로 읽을 수 있는 바코드 역할을 하는 장치입니다. 연구원들은 물체에 가해지는 힘을 측정하고 해당 정보를 무선으로 RFID 리더에 전달할 수 있도록 이 두 구성 요소를 통합하는 영리한 방법을 찾았습니다.

커패시터는 두 개의 전도성 구리 스트립 사이에 끼워진 부드러운 폴리머 시트로 만들어집니다. 외력이 가해지면 폴리머가 압축되어 구리 스트립을 더 가깝게 끌어당겨 축전기의 전하가 증가합니다.

적용된 힘의 결과로 발생하는 전하의 증가는 RFID 스티커에 의해 전송되는 신호에 변화를 일으키기 때문에 핵심이라고 연구진은 밝혔습니다. RFID 판독기는 이러한 변화를 원격으로 측정하고 이를 적용된 힘의 특정 크기로 변환합니다. RFID 신호의 변화를 생성하는 이 특별한 기술을 사용하면 강제 스티커 내의 구성 요소를 소형화할 수 있습니다. 이에 비해 RFID 신호를 변경하는 이전 방법에는 크기가 수천 배 더 큰 구성 요소가 필요했습니다.

한편, RFID 스티커는 후방 산란이라는 기술을 통해 무선 신호를 전송하여 매우 낮은 전력으로 작동합니다. RFID 리더에서 수신되는 무선 신호를 받아 커패시터에 의해 유도된 전기 변화를 통해 신호를 수정한 다음 수정된 신호를 리더로 다시 반사하여 이를 해독하고 적용된 힘으로 변환합니다.

결과적으로 포스 스티커는 기본적으로 전원이 전혀 공급되지 않는 상태로 작동됩니다. “디자인은 최소한의 전자 장치로 정말 간단합니다.”라고 연구의 제1저자이자 전기 및 컴퓨터 공학 박사인 Agrim Gupta가 말했습니다. 바라디아 연구실의 학생

또 다른 설계 특징은 커패시터를 다양한 힘 범위에 맞게 맞춤화할 수 있다는 것입니다. 폴리머 층을 더 부드럽거나 더 단단한 층으로 교체함으로써 각각 더 작거나 더 큰 힘을 측정하도록 커패시터를 맞춤화할 수 있습니다.

시연하기 위해 연구원들은 두 가지 유형의 포스 스티커를 제작하고 테스트했습니다. 한 스티커에서 커패시터는 더 작은 힘을 측정하기 위해 슈퍼 소프트 폴리머로 제작되어 모델 무릎 관절 실험에 사용하기에 적합합니다. 관절 내에 배치된 힘 스티커는 연구원들이 관절을 밀 때 적용되는 다양한 힘을 정확하게 측정했습니다. 커패시터가 더 단단한 폴리머로 구성된 두 번째 스티커는 창고 포장 실험에서 테스트되었습니다. 상자 밑면에 부착되어 상자 안에 들어 있는 다양한 양의 물체의 무게를 정확하게 측정했습니다.

테스트에서 포스 스티커는 내구성이 매우 뛰어났습니다. 그들은 10,000번 이상의 힘을 가하는 것을 견뎌냈고 일관되게 정확성을 유지했습니다. 또한 연구원들은 스티커 한 개당 가격이 2달러 미만으로 저렴한 비용으로 제작할 수 있다고 지적했습니다.

굽타는 “이 기술을 상용화할 수 있다면 미래에는 반창고 상자처럼 한 상자를 저렴하게 판매할 수 있을 것”이라고 말했다. 앞으로 연구원들은 스마트폰으로 포스 스티커를 읽을 수 있게 만들어 RFID 리더가 필요 없게 만드는 것을 목표로 하고 있습니다.

자세한 내용은 Liezel Labios에게 문의하세요. 이 이메일 주소는 스팸봇으로부터 보호됩니다. 보려면 JavaScript를 활성화해야 합니다.; 858-246-1124.