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发布2021年4月16日 通过 &

通过可穿戴天线扩展了医疗技术的边界

目前对柔性电子设备的研究正在为无线传感器铺平道路,这种传感器可以戴在身上,并收集各种医疗数据。但是数据都去了哪里呢?如果没有类似的柔性传输设备,这些传感器将需要有线连接来传输健康数据。程焕宇,多萝西·奎格职业发展工程科学与力学助理教授 州立大学两个国际研究团队正在开发设备,以探索可穿戴柔性天线的可能性。今年4月,他们在《纳米微信》和《材料与设计》上发表了两篇论文。
可穿戴天线弯曲、拉伸、压缩而不影响功能
与可穿戴传感器一样,可穿戴式变送器需要在人体皮肤上安全使用,在室温下工作,并能够承受扭转、压缩和拉伸。然而,发射机的灵活性带来了一个独特的挑战:当天线被压缩或拉伸时,它们的共振频率(RF)变化,它们发射的无线电信号的波长可能与天线预期接收的波长不匹配。更多信息请参见IDTechEx报告医疗保健领域的柔性电子产品(2020-2030)
“改变天线的几何形状会改变它的性能,”Cheng说。“我们的目标是一个几何结构,它允许移动,同时保持发射频率不变。”
研究小组创造了多层的柔性发射机。在之前的研究基础上,他们制作了一个有重叠波浪线图案的铜网。这个网格构成了接触皮肤的底层,以及作为天线辐射元件的顶层。顶层在受压时形成双拱,在拉伸时形成双拱,并以一组有序的步骤在这两个阶段之间移动。根据Cheng的说法,天线网拱、平和拉伸的结构过程提高了层的整体灵活性,减少了天线状态之间的射频波动。
能源效率是另一个优先事项。底部的网状层防止无线电信号与皮肤相互作用。这种方法不仅可以防止组织损伤,还可以避免由于组织破坏信号而造成的能量损失。郑说,天线保持稳定射频的能力也允许发射机从无线电波中收集能量,有可能降低来自外部资源的能量消耗。Cheng说,这个发射器可以在近300英尺的范围内发送无线数据,可以很容易地集成许多计算机芯片或传感器。随着进一步的研究,它可以应用于健康监测和临床治疗,以及能源的产生和储存。
“我们已经在可伸缩发射机中展示了强大的无线通信能力,”Cheng说。“据我们所知,这是第一个在相对较大的拉伸范围内共振频率几乎完全不变的可穿戴天线。”
允许进一步的天线定制与常数变量
在开发出可伸缩天线原型后,程和另一个研究团队对其进行了分析。研究人员的目标是确定新的基本途径,以便对这种装置进行微调,以便应用于类似的未来研究。
“我们想通过检查机械性能和电磁行为”,Cheng说。“强调这一关系可以揭示不同参数对天线性能的影响。”
该团队制作了一种带有层状和网状结构的天线,与他们之前的原型相似,但缺少双拱压缩结构。他们测量了天线在不同间隔拉伸网格时的变形,然后使用计算机模拟来检查变形和天线性能之间的关系。
为了简化对天线无线电信号传输的分析,研究人员使用了一种数学技术,将某些测量值(如重复网格图案的宽度和角度)转换为常数值。这个过程称为归一化,研究者可以通过否定归一化变量的影响来关注特定变量之间的关系。研究小组发现,不同变量的标准化为定制天线的性能提供了几种途径。他们还发现,模拟网格的几何形状可以产生不同的结果,即使使用相同的标准化变量集。
尽管研究人员分析了可穿戴天线的性能,Cheng强调他们的方法可以应用于其他射频设备。“我们已经证明,你不必局限于探索一个标准化变量的影响,”Cheng说。“使用这种方法,我们可以为其他使用微波通信的天线或设备调整性能。”
展望未来
Cheng和他的合作者将继续研究如何促进这些设备的发展,通过基于应用的研究以及进一步的基础探索来优化设计过程。
“我们真的很兴奋,这项研究有一天可能会导致穿戴在身体上的传感器和发射机网络,所有的传感器和发射机都能与彼此和外部设备通信,”Cheng说。“我们现在想象的是科幻小说,但我们正在努力让它成为现实。”
来源和顶部图像:宾州州立大学
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