Куда девать данные или как механика спасает электронику.

Носимый передатчик спроектирован так, чтобы реагировать на движение без ущерба для передачи сигнала. 

Предоставлено: Хуанью Ченг, штат Пенсильвания.

Успехи в гибкой электронике открыли возможность получать медицинские данные пациента с помощью беспроводных датчиков, установленных непосредственно на его теле. Но это не работало. Точнее – работало не так, как ожидалось или хотелось.

Эти данные считывались сенсорами прикреплённых или вводимых пациенту устройств, но, чтобы собрать эти показатели всё равно нужны провода. А с такой коммутацией всё удобство гибкоэлектронных носимых медицинских приборов сводится к нулю.

Казалось бы, в чём проблема? Давайте сделаем гибкую носимую антенну, уж наверное это будет проще осуществить, чем сконструировать такой же датчик. Однако не так всё однозначно: вследствие миниатюризации размеров и рабочих токов очень возрастает требование к точности соблюдения частотного диапазона приёма-передачи сигналов. А в рамках парадигмы назначения и использования устройств эту и без того непростую задачу усложняют законы физики.

Всё дело в том, что, как и сами носимые датчики, их передатчик должен работать при комнатной температуре, быть безопасным для человека и способным выдерживать различные деформации. В частности, необходимо соблюдение постоянства рабочих свойств в условиях скручивания, сжатия и растяжения. Как раз здесь и кроется главное наше препятствие – гибкость передатчика представляет собой уникальную проблему: сжатие и растяжение антенны меняет её резонансную частоту. Следствием этого становится несовпадение длин волн передаваемого радиосигнала с резонансными частотами антенн приёмников, что приводит к снижению качества, прерыванию или полной потере сигнала.

«Изменение геометрии антенны приведёт к изменению её характеристик, – говорит Хуанью «Ларри» Ченг, доцент кафедры развития карьеры Дороти Квиггл отделения инженерных наук и механики инженерного колледжа штата Пенсильвания. – Мы хотели создать геометрическую структуру, которая допускала бы движение, не изменяя при этом частоту передачи».

Было принято решение реализовать задуманное с помощью послойной конструкции с возможностью регулирования взаимного смещения слоёв относительно друг друга. Основываясь на данных, обнаруженных предыдущими исследованиями, учёные изготовили медную сетку с рисунком перекрывающихся волнистых линий. Эта сетка образует два слоя устройства: нижний касается кожи, а верхний служит излучающим сигнал элементом. Интересно, что при сжатии верхний слой способен создавать двойную дугу, а при вытягивании – растягиваться. Но главное здесь в том, что он способен работать в диапазоне между этими состояниями с упорядоченным набором шагов. Благодаря этому упорядочиванию антенная сетка не только может изгибаться, сглаживаться и растягиваться, но и – по словам Ченга – корректно снижать частотные разночтения между состояниями антенны. Такая послойная структурированность процесса улучшает общую гибкость антенны во всех отношениях: и геометрически, и функционально.

Но это, конечно, ещё не всё. Другим приоритетом разработчиков была максимальная энергоэффективность. Так что нижний слой сетки тоже не так прост – именно он препятствует взаимодействию радиосигналов с кожей. И эта реализация, помимо предотвращения дискомфорта пациента (а в некоторых случаях даже повреждения его кожного покрова), позволяет избежать прямых потерь энергии, вызванных природной электропроводимостью человеческого тела, которая означает поглощение сигнала тканями пациента. По словам исследователей, способность антенны поддерживать стабильность не только радиочастот, но и амплитуды сигнала также позволяет передатчику уверенно собирать энергию из радиоволн, что потенциально снижает потребление энергии из внешних источников.

Новое исследование, проведённое инженерами Пенсильванского университета, открывает путь к созданию беспроводных носимых устройств для мониторинга состояния здоровья, которые могут собирать и передавать информацию. Предоставлено: Хуанью Ченг, штат Пенсильвания.

Ченг говорит, что в принципе передатчик, который будет в силах передавать данные по беспроводной сети на расстоянии почти 90 метров, может легко содержать несколько компьютерных микросхем или датчиков. При условии дальнейших исследований и некоторых специфических модернизаций он может найти применение не только в мониторинге здоровья и клиническом лечении, но также и в производстве и хранении энергии.

«Мы продемонстрировали надёжную беспроводную связь в растягиваемом передатчике, – резюмирует Ченг. – Насколько нам известно, это первая носимая антенна, которая демонстрирует почти полностью неизменную резонансную частоту в относительно большом диапазоне растяжения».

Настройка антенны.

Останавливаться на достигнутом считается не лучшей идеей не только в мире научных изысканий, но здесь тем более. Вот и Ченг обратился за свежим взглядом к другой исследовательской группе, с которой и проанализировал прототип своего детища. В составе новой команды он старался определить новые основополагающие пути для тонкой настройки подобных устройств с тем, чтобы впоследствии их можно было бы применить в похожих исследованиях.

«Мы хотели изучить проблему, проследив связь между механическими свойствами и электромагнитным поведением, - говорит Ченг. – Выделение этой взаимосвязи может дать представление о влиянии различных параметров на характеристики антенны».

Учёные изготовили аналогичную предыдущему прототипу антенну, которая, имея те же слои и сетку, отличалась отсутствием двойной дуги сжатия верхнего слоя. Измерения деформации антенны при растяжении сетки с разными интервалами вкупе с точным компьютерным моделированием позволили изучить взаимосвязь между деформацией и характеристиками антенны.

Чтобы упростить анализ передачи радиосигнала, некоторые определенные измерения вроде ширины и угла повторяющейся ячейки были преобразованы в постоянные значения с помощью математического метода. Этот процесс называется нормализацией. Он позволяет сосредоточиться на взаимосвязи между конкретными переменными, игнорируя влияние нормализованных переменных.

Так команда обнаружила, что нормализация различных переменных предоставляет несколько вариантов настройки характеристик антенны. Также выявлено, что даже с одним и тем же набором нормализованных переменных смоделированная геометрия сетки может давать разные результаты.

В то же время Ченг подчёркивает, что хоть исследователи и анализировали свойства именно носимых антенн, выведенные ими методы на самом деле вполне применимы и к другим радиочастотным устройствам: «Мы показали, что вы не должны ограничиваться изучением эффектов одной нормализованной переменной. Используя этот метод, мы можем адаптировать свойства для других антенн или устройств, которые общаются с помощью микроволн».

Взгляд в будущее

Поиск способов облегчения разработки носимых передающих устройств посредством прикладных исследований, а также дальнейших фундаментальных исследований для оптимизации процесса проектирования продолжается.

«Мы очень рады, что это исследование может однажды привести к созданию сетей датчиков и передатчиков, которые будут носить на теле, и все они будут взаимодействовать друг с другом и внешними устройствами, – говорит автор. – То, что мы воображаем, в настоящий момент является научной фантастикой, но мы работаем над тем, чтобы это произошло».

АРМК, по материалам SpringerLink