Triboelektriska sensorer kommer att spela en roll i nästa generations bärbara enheter

En grupp uppfinningsrika ingenjörer från NC State University presenterade nyligen en triboelektrisk broderibaserad sensor som kan revolutionera hur du interagerar med världen. Denna skapelse är mycket mer än en fjärrkontroll sydd i din favorittröja. Forskarna lyckades skapa ett sömlöst styrsystem vävt in i tyget på ett sätt som gör det omärkligt för bäraren.

Föreställ dig att gå fram till din nya bil och använda din t-shirt för att låsa upp fordonet och starta det med handgester. Denna teknik kan låta futuristisk idag, men tack vare utvecklingarna av dessa ingenjörer är den redan möjlig. Här är varför denna utveckling kan ha en stor inverkan på ditt liv.

Bärbar elektronik

För att förstå vikten av forskarnas arbete är det viktigt att titta på marknaden för bärbara enheter och dess utveckling. Sedan de första elektroniska enheterna och telefonerna har kreativa drömt om kläder genomsyrade av futuristisk teknik. Tänk på Star Trek‑medlemmarna på 70‑talet som knackade på sin kommunikatör på bröstet och talade med skeppets brygga. Även idag blomstrar marknaden, med enkla designer som integrerade telefonladdare och Bluetooth‑högtalare blir allt vanligare.

Källa – ZEROi Smarthat

Exponentiell tillväxtpotential

Idag betraktas marknaden som en snabbt växande sektor inom teknikindustrin. En rapport publicerad av forskare från Markets and Markets avslöjade att den globala marknaden för bärbar teknik förväntas nå 265,4  miljarder dollar år 2026. Data visade att marknaden växte med en CAGR (årlig sammansatt tillväxttakt) på 18,0 % och hade ökat så snabbt som 45 % under 2021‑2022.

Kläder utvecklade

Det finns många underavsnitt inom marknaden för bärbara enheter. Det som dessa forskare valde att fokusera på var branschen för smarta textilier. De strävade efter att förena textilier med elektronik på ett sätt som gjorde integrationen omärklig för bäraren både visuellt och i känsla. Trots detta kunde bäraren njuta av extra funktionalitet.

Textilbaserade människa‑maskin‑gränssnitt förvandlar delar av dina kläder till kontroller. Föreställ dig att svepa på din tröja för att svara på telefonen eller röra vid din hatt för att tända ett ljus. Alla dessa alternativ och mycket mer är möjliga med tygsensorer. Så här lyckades forskarna göra kläder klickbara.

Utmaningar som ingenjörerna mötte

Teamet var tvunget att övervinna många utmaningar för att göra tyget klickbart. För det första är de vanliga metoderna för att brodera tyger vanligtvis baserade på 2D‑designer. Därför var de inte lämpade för att stödja en sensor som krävde avstånd mellan kontakterna.

Triboelectric Sensor

För att övervinna denna begränsning skapade teamet ett nytt garn. Teamet upptäckte att polyvinylidenfluorid‑trifluoroetylen (PVDF‑TrFE) nano‑mikrofiber‑omslutet ledande garn och polyuretan (PU)‑belagt polyester‑koppargarn höll tillräckligt för att hålla sensorsensorernas kontakter separerade utan att förändra tygets flexibla känsla.

Felaktiga sensorer

Felaktiga sensorer är ett stort problem för bärbara enheter. De dagliga aktiviteterna och hållbarhetskraven för dessa enheter gör dem benägna att misslyckas och ge falska utlösningar. Falska gester och andra missförstånd är vanliga när sensorintegrationen alltid är inom räckhåll. Dessutom kan miljöfaktorer orsaka att en sensor ger felaktiga avläsningar eller falska kontakter.

För att förhindra falska sensorutlösningar beslutade forskarteamet att skapa ett avstånd mellan de motsatt laddade lagren i knappen med hjälp av ett avståndsmaterial. Detta tillvägagångssätt hjälpte till att göra känsligheten kontrollerbar. Det gjorde också att forskarna kunde genomföra tester vid olika avstånd för att se den optimala konfigurationen.

Triboelectric designfas

Enheten består av triboelektriska nanogenerator‑baserade sensorer som består av två motsatt laddade lager. Denna struktur, kombinerad med det garn de skapade, ger en pålitlig och mjuk sensor som behåller komforten hos ett vanligt tyg.

AI‑integration

Sensorn har ett mikrochip vars enda syfte är att avkoda dataingångar från sensorn. Detta mikrochip har ett integrerat AI‑protokoll som utnyttjar avancerade maskininlärningsalgoritmer. Denna AI‑modell skapades specifikt för att förhindra falska aktiveringar och felaktiga tolkningar av gester. Den gör det möjligt för enheten att registrera handlingar som svepningar.

AI‑modellen förbättrar enhetens prestanda och funktionalitet avsevärt. Den gör också att utvecklare kan programmera ett brett spektrum av instruktioner för olika gester. På så sätt blir enheten bättre på att känna igen gester och kommandon och bortse från falska aktiveringar med ökad användning.

Fördelar med den nya tygsensorn

Sensorn introducerar en rad fördelar som gör den till ett idealiskt alternativ för användning i bärbara enheter och andra scenarier. Förmågan att omvandla kläder till en kontroller öppnar oändliga möjligheter inom mode, interaktion med dagliga enheter och mycket mer. Den öppnar också dörren för ökad integration i smarta stadsmiljöer.

Föreställ dig att dina kläder kommunicerar med världen omkring dig. Denna teknik kan göra det möjligt att en dag byta kanal genom att trycka på din soffa eller spela din favoritlåt genom att knacka på din hattkant. Den kan också göra det möjligt för läkare att vara mer responsiva eller för soldater att hålla kontakt med andra. Fördelarna med denna teknik fortsätter att sticka ut.

Miniatyrisering

Dessa sensorer är små och kan hjälpa till att driva fram flera sektorer såsom robotik, rymdteknik och marin utforskning. Den lätta och flexibla naturen hos dessa enheter gör dem också idealiska för användning i icke‑konforma robotar. Icke‑konforma robotar är robotar som inte har en stel struktur. De är användbara när du behöver en robot som kan anpassa sig för att passa genom sprickor och springor.

Triboelektrisk kraft

En av de främsta fördelarna med den triboelektriska sensorn är att den laddas själv. Triboelektriska sensorer är kända för sina enkla konstruktioner och känslighet, vilket gör dem idealiska för detta bruk. Dessa sensorer använder statisk laddning under rörelse mellan lagren för att förbli strömförsedda. På så sätt behöver de aldrig laddas om.

Mångsidig användning

Mångsidigheten i denna nya sensorlayout kan inte ignoreras. Den ökade konsistensen och förmågan att känna igen olika typer av inmatningar gör projektet till en stor framgång. Dessutom placerar anpassningsalternativen forskarens skapelse i en egen klass.

Ingenjörer från NC State University

Teamet bakom projektet bestod av Yu Chen, Yali Ling, Yiduo Yang, Zihao Wang, Yang Liu, Wei Gao, Bao Yang, Xiaoming Tao och Rong Yin. Forskning, utveckling och testning genomfördes vid NC State University. Nu strävar teamet efter att vidareutveckla sin forskning om triboelektriska textilsensorer och driva adoptionen av bärbara enheter framåt.

Testfas

Projektets tester visade utvecklingens flexibilitet och potential. För att testa projektet skapade forskarna en anpassad musikspelare som accepterade BT‑ingångar. Spelaren designades specifikt för att ta emot fasta kärnfunktioner som kopplades till motsvarande gester i sensorn.

Ingenjörerna kunde spela, pausa, hoppa över låtar och justera volymen med hjälp av sensorn. Resultaten bevisade att konceptet var genomförbart. Dessutom gav det bättre resultat än förväntat. Ingenjörerna kunde använda enheten för att spela spel och till och med mata in lösenord när det krävdes. Nu har intresset för denna forskning ökat på grund av dess potentiella tillämpningar.

Potentiella tillämpningar

Det finns många tillämpningar för denna teknik. Textilsensorer kan minska vikt, förbättra respons och ge värdefull sensoråterkoppling när det behövs. Följaktligen har konceptet med bärbara kontroller potential att revolutionera många industrier.

Hälsovård

Hälsovården är en av de sektorer som kan använda denna teknik för att erbjuda bättre service. Många patienter måste bära övervakningsutrustning och behöver någon form av larmmekanism vid sin sida. Introduktionen av textilbaserade sensorer kan göra det möjligt för dessa individer att navigera sin dag med större frihet.

Dessutom kan dessa system användas av medicinska yrkespersoner. Vissa system kan begära specifika föremål eller ge larm när det behövs. Patienter kan bära rockar som visar vitala statistik om deras hälsa eller rörelse. När de kombineras med RF‑ och IoT‑sensorer och andra alternativ öppnar denna teknik dörren till en ny nivå av patientövervakningsmöjligheter.

Sport

Sportindustrin är en annan marknad som kan använda denna teknik för att förbättra sina erbjudanden. Det har redan skett en stadig integration av sensorer i stora sportligor för att förbättra domarbeslut och andra viktiga aspekter av spelet. Nu kan dessa lätta sensorer möjliggöra förbättrade möjligheter för idrottsutövares övervakning.

Mode

Modeindustrin har länge varit i framkant av bärbar teknik. Många försök att skapa användbara bärbara enheter misslyckades helt enkelt för att de inte var modemedvetna eller bekväma. Introduktionen av triboelektriskt drivna textilsensorer förändrar spelet och gör det möjligt för designers att sömlöst integrera teknik i sina skapelser.

Militär

Militära tillämpningar för denna teknik fortsätter att dyka upp. Det pågår redan diskussioner om att använda tekniken för att lägga till drönarkontroller i soldaters uniformer tillsammans med en mängd andra sensorer. Framtidens soldat kommer att väga mindre men kunna utföra många gånger mer än sin föregångare.

Militären kan också använda denna teknik för verifieringssystem såsom lösenord och ID‑verifiering. Man kan se soldater gå mot en grind och en sensor hämta deras ID, som de sedan verifierar genom att trycka på en sensor på uniformen. De kan även lägga till ytterligare information eller navigera i en komplex meny med inget annat än sina kläder.

Företag som kan dra nytta av denna teknik

Marknaden för bärbara enheter fortsätter att hetta upp. Du är förmodligen medveten om de största konkurrenterna såsom Apple (AAPL ), Microsoft (MSFT ) och Fitbit. Dessa företag har länge erbjudit bärbar teknik i form av klockor eller andra produkter med sensorer för att övervaka olika aspekter av din hälsa. Här är några andra företag som gör framsteg på marknaden för bärbara enheter.

Augmedix

Augmedix är en AI‑driven vårdgivare. Företaget integrerar bärbar teknik för att hjälpa ambulansförare att ansluta till annan sjukvård när det behövs. Enheten kopplar alla yrkespersoner till kliniken vid behov.

Augmedix grundades 2022 för att hjälpa till att minska ineffektivitet inom sjukvårdssektorn och driva bättre vårdprocesser. Nätverket erbjuder för närvarande ett spektrum av hjälpsamma enheter inklusive digitalisering av naturliga samtal mellan kliniker och patienter. Detta tillvägagångssätt möjliggör att dessa samtal i realtid läggs till som värdefull medicinsk data.

UA HealthBox

UA HealthBox är en fitness‑övervakningsapp utformad för att hjälpa användare att mäta sin utveckling och välbefinnande. Programmet stöds av den tidigare smartphone‑tillverkaren HTC. Företaget har tagit sina många år av processutveckling och fokuserat dem på att skapa kraftfulla bärbara enheter med framgång.

Framtiden för bärbara enheter är ljus

Framsteg inom bärbar teknik sker snabbt. Redan nu är solenergidrivna och självförsörjande bärbara produkter redo att lanseras i massor på marknaden. Dessa hållbara alternativ kommer att integrera AI‑lösningar för att erbjuda en ny nivå av interaktivitet med din digitala miljö. Dessutom kan denna teknik kombineras med AR och VR för att skapa en sömlös sammansmältning av den digitala och den verkliga världen.

Decentraliserad AI är framtiden för bärbara enheter

AI‑system, likt andra Web2‑applikationer, har börjat migrera till Web3‑format. Dessa nya decentraliserade AI‑ekosystem kan samla in mer data från nätverksnoder i realtid. Därför är de bättre lämpade att hjälpa till att skapa stora modeller för bärbara enheter i framtiden.

Det är en sak när din AI‑bärbara enhet hjälper till att övervaka din hälsa. Det är en annan historia när den använder data från alla andra användare för att känna igen hälsomönster i regioner och andra viktiga statistik som kan hjälpa till att identifiera risker tidigare. Det bästa av allt är att dessa enheter i allt högre grad konstrueras för att vara självförsörjande, vilket gör dem till ett hållbart alternativ.

Den triboelektriska sensorn markerar ett milstolpe i bärbar teknik

Fram till nyligen var de flesta bärbara enheter klockor, ringar eller andra föremål som kunde stödja ett styvt och stort processorkort eller en kontroller. Tack vare kreativiteten och uppfinningsrikedomen hos dessa ingenjörer från NC State University kan dina kläder bli mycket mer användbara i framtiden. Åtminstone kommer nästa generations bärbara enheter att förbättra dina interaktioner och öppna dörren för en mode‑/teknikrevolution.

Lär dig mer om annan häftig teknik Nu