Repousser les limites de la technologie médicale avec des antennes portables

Repousser les limites de la technologie médicale avec des antennes portables

L’émetteur portable est conçu pour comprimer sa couche supérieure dans un motif à double arcade, illustré ici, pour répondre au mouvement sans compromettre la transmission du signal. Crédits: Huanyu Cheng, État de Penn

Les recherches actuelles sur l’électronique flexible ouvrent la voie à des capteurs sans fil qui peuvent être portés sur le corps et collecter une variété de données médicales. Mais où vont les données? Sans un dispositif de transmission flexible similaire, ces capteurs nécessiteraient des connexions filaires pour transmettre des données de santé.

Huanyu « Larry » Cheng, Dorothy Quiggle Professeur assistant en développement de carrière en sciences de l’ingénieur et en mécanique au Penn State College of Engineering, et deux équipes internationales de chercheurs développent des dispositifs pour explorer les possibilités d’antennes portables et flexibles. Ils ont publié deux articles en avril dans Lettres Nano-Micro et Matériaux et design.

L’antenne portable se plie, s’étire, se compresse sans compromettre la fonction

Comme les capteurs portables, un émetteur portable doit être sûr pour une utilisation sur la peau humaine, fonctionnel à température ambiante et capable de résister à la torsion, à la compression et à l’étirement. La flexibilité de l’émetteur, cependant, pose un défi unique: lorsque les antennes sont compressées ou étirées, leur fréquence de résonance (RF) change et elles transmettent des signaux radio à des longueurs d’onde qui peuvent ne pas correspondre à celles des récepteurs prévus de l’antenne.

« Changer la géométrie d’une antenne changera ses performances », a déclaré Cheng. « Nous voulions cibler une structure géométrique qui permettrait le mouvement tout en laissant la fréquence d’émission inchangée. »

L’équipe de recherche a créé l’émetteur flexible en couches. S’appuyant sur des recherches antérieures, ils ont fabriqué un treillis de cuivre avec un motif de lignes ondulées qui se chevauchent. Ce maillage constitue la couche inférieure, qui touche la peau, et la couche supérieure, qui sert d’élément rayonnant dans l’antenne. La couche supérieure crée une double arche lorsqu’elle est comprimée et s’étire lorsqu’elle est tirée – et se déplace entre ces étapes dans un ensemble d’étapes ordonnées. Le processus structuré par lequel le maillage d’antenne se cambre, s’aplatit et s’étire améliore la flexibilité globale de la couche et réduit les fluctuations RF entre les états de l’antenne, selon Cheng.

L’efficacité énergétique était une autre priorité. La couche de maillage inférieure empêche les signaux radio d’interagir avec la peau. Cette mise en œuvre, au-delà de la prévention des lésions tissulaires, évite une perte d’énergie provoquée par des tissus dégradant le signal. La capacité de l’antenne à maintenir un RF constant permet également à l’émetteur de collecter l’énergie des ondes radio, a déclaré Cheng, réduisant potentiellement la consommation d’énergie provenant de sources extérieures.

Repousser les limites de la technologie médicale avec des antennes portables

Une nouvelle recherche menée par les ingénieurs de Penn State ouvre la voie à des dispositifs de surveillance de la santé portables et sans fil capables de collecter et de transférer des informations. Crédits: Huanyu Cheng, État de Penn

L’émetteur, qui peut envoyer des données sans fil à une portée de près de 90 mètres, peut facilement intégrer un certain nombre de puces informatiques ou de capteurs, a déclaré Cheng. Grâce à des recherches supplémentaires, il pourrait avoir des applications dans la surveillance de la santé et les traitements cliniques, ainsi que dans la production et le stockage d’énergie.

« Nous avons démontré une communication sans fil robuste dans un émetteur extensible », a déclaré Cheng. « À notre connaissance, il s’agit de la première antenne portable qui présente une fréquence de résonance presque totalement inchangée sur une plage d’étirement relativement large. »

Permettre une personnalisation supplémentaire de l’antenne avec des variables constantes

Après avoir développé le prototype d’antenne extensible, Cheng l’a analysé avec une autre équipe de recherche. Les chercheurs visaient à identifier de nouvelles voies fondamentales pour affiner un tel dispositif qui pourraient être appliquées à des recherches futures similaires.

« Nous voulions étudier le problème en examinant le lien entre les propriétés mécaniques et le comportement électromagnétique », a déclaré Cheng. « Mettre en évidence cette relation peut révéler des informations sur l’influence de différents paramètres sur les performances de l’antenne. »

L’équipe a fabriqué une antenne avec des couches et un motif de maillage similaire à leur prototype précédent mais dépourvu de la structure de compression à double arcade. Ils ont mesuré la déformation de l’antenne lorsque le maillage était étiré à différents intervalles, puis ont utilisé des simulations informatiques pour examiner la relation entre la déformation et les performances de l’antenne.

Pour simplifier l’analyse de la transmission du signal radio de l’antenne, les chercheurs ont utilisé une technique mathématique pour convertir certaines mesures – telles que la largeur et l’angle du motif de maillage répétitif – en valeurs constantes. Avec ce processus, appelé normalisation, les chercheurs peuvent se concentrer sur la relation entre des variables spécifiques en annulant l’influence des variables normalisées.






Dans cette vidéo, les chercheurs testent les changements structurels ordonnés lors de la compression et de l’étirement d’un prototype antérieur. Contrairement à l’émetteur portable final, cet appareil crée une arche lorsqu’il est compressé au lieu de deux. Crédits: Huanyu Cheng

L’équipe a constaté que la normalisation de différentes variables offrait plusieurs moyens de personnaliser les performances de l’antenne. Ils ont également constaté que la géométrie simulée du maillage pouvait produire des résultats différents, même avec le même ensemble de variables normalisées.

Bien que les chercheurs aient analysé les propriétés des antennes portables, Cheng a souligné que leurs méthodes pourraient être appliquées à d’autres appareils à radiofréquence.

« Nous avons montré que vous ne devez pas vous limiter à explorer les effets d’une variable normalisée », a déclaré Cheng. « En utilisant cette méthode, nous pouvons personnaliser les propriétés d’autres antennes ou appareils qui communiquent à l’aide de micro-ondes. »

Regard vers le futur

Cheng et ses collaborateurs continueront à rechercher des moyens de faciliter le développement de ces appareils grâce à des études basées sur les applications ainsi qu’à d’autres explorations fondamentales pour optimiser le processus de conception.

«Nous sommes vraiment ravis que cette recherche puisse un jour conduire à des réseaux de capteurs et d’émetteurs portés sur le corps, tous communiquant entre eux et avec des appareils externes», a déclaré Cheng. « Ce que nous imaginons est de la science-fiction pour le moment, mais nous travaillons pour y arriver. »


Les chercheurs récupèrent l’énergie des ondes radio pour alimenter des appareils portables


Plus d’information:
Guizhi Xu et al, Conception de paramètres non dimensionnels dans des antennes microruban extensibles avec couplage mécanique-électromagnétique, Matériaux et design (2021). DOI: 10.1016 / j.matdes.2021.109721

Jia Zhu et coll. Antennes microruban extensibles structurées hiérarchiquement insensibles aux contraintes pour une communication sans fil robuste, Lettres Nano-Micro (2021). DOI: 10.1007 / s40820-021-00631-5

Fourni par l’Université d’État de Pennsylvanie

Citation: Repousser les limites de la technologie médicale avec des antennes portables (2021, 15 avril) récupéré le 15 avril 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-04-boundaries-medical-tech-wearable-antennae.html

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