Doppio tessile

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5613 (2023) Citare questo articolo

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Viene proposto un originale combinatore completamente tessile per alimentare sensori vicini al corpo con una sola fonte di energia centralizzata, come ad esempio uno smartphone. Viene fornita una soluzione per tenere conto dei requisiti di un processo di produzione industriale che necessita di ridurre al minimo i movimenti dell'ago durante un processo di ricamo. Inoltre, il documento mostra come supportare diversi standard di trasmissione di potenza wireless che già esistono, ovvero NFC e A4WP, o che esisteranno per soddisfare le enormi esigenze di energia per i sistemi distribuiti nel dominio IoT. In questo articolo viene proposto un nuovo sistema wireless flessibile basato sul tessile che consente la comunicazione e la raccolta di energia. Sono stati condotti studi analitici, numerici e sperimentali per dimostrare che la struttura ha due frequenze di risonanza a 6,8 MHz e 13,6 MHz, che la rendono adatta agli standard NFC e A4WP. Inoltre, le perdite causate dal sistema sono rispettivamente di 2,76 dB e 1,91 dB per A4WP e NFC. I risultati vengono successivamente presentati per evidenziare le specificità di tali combinatori multi-bobine tessili. Viene spiegato un metodo per ottenere una struttura risonante senza alcun componente elettronico solido.

Il recente sviluppo dei tessuti connessi consente l’aumento della trasmissione di dati ed energia all’interno degli indumenti. Infatti, i sensori incorporati nei nostri tessuti necessitano di alimentazione per funzionare e trasmettere dati. La tecnologia Near-field Communication (NFC) è una soluzione per le fonti di energia centralizzate e l'archiviazione dei dati, in particolare con il miglioramento della capacità della batteria e della memoria. I progressi nel campo dell'elettronica hanno già consentito l'uso del trasferimento di potenza wireless (WPT) tra piccoli dispositivi indossabili e smartphone, dotati di tecnologia NFC1,2. Alcuni piccoli dispositivi IoT come i sensori fisiologici potrebbero richiedere di essere talvolta alimentati solo elettricamente, eventualmente tramite una tecnologia standardizzata dalla A4WP (Alliance for wireless power) recentemente ribattezzata Airfuel (Air Fuel Alliance), sapendo che la tecnologia Qi è un'alternativa standard, già disponibile sul mercato3,4,5. Quest'ultima tecnologia non è stata mantenuta nel presente lavoro poiché funziona a frequenze molto deboli intorno a 300 kHz che ne limiterebbero l'utilizzo ad antenne perfettamente allineate e identiche per il trasmettitore e il ricevitore situate vicino al combinatore. Da notare inoltre che la frequenza dello standard A4WP è esattamente la metà di quella della frequenza NFC.

Numerose fonti di energia possono essere utilizzate per alimentare l’e-textile, ma oggi gli smartphone sono dotati di antenne NFC e possono archiviare, elaborare e inviare una grande quantità di dati. Di conseguenza, sono particolarmente adatti all'alimentazione elettrica e collegano i tessili intelligenti a un'altra rete. Ad esempio, è stato sviluppato un sistema di trasmissione dell’energia per alimentare i tessuti intelligenti dall’energia meccanica della bicicletta6. Jiang et al. hanno inoltre sviluppato un'antenna NFC tessile con fili argentati in grado di trasmettere dati anche in condizioni di flessione7. Più recentemente, Rongzhou Lin et al. hanno anche pubblicato uno studio che presenta un sistema di trasmissione NFC tessile integrale ricamato su un indumento8. Ha lo scopo di monitorare i parametri fisiologici in tempo reale in modo nomade, come durante la corsa. Tuttavia, il dispositivo necessita di alcuni componenti elettrici rigidi per funzionare e la sua frequenza operativa non è regolata su 13,56 MHz. Un altro studio sulle antenne NFC tessili si è concentrato sull'aspetto della frequenza di risonanza9. Ciò dimostra che l'antenna ricamata può essere realizzata solo con materiali e processi tessili e la sua frequenza di risonanza può essere adattata alla tecnologia NFC. Infine, l'associazione di più antenne tessili può creare nuovi dispositivi, detti “combinatori”, che consentono il trasferimento di un campo magnetico a 13,56 MHz attraverso una superficie tessile10. Sfortunatamente, questo tipo di struttura prevede un punto di saldatura per chiudere il circuito, il che crea un punto debole nel dispositivo. Esistono anche strutture tessili di reti multicorpo a campo vicino utilizzate per la comunicazione sul corpo sviluppate da metamateriali costituiti da matrici di elementi magneto-induttivi discreti e anisotropi11. A differenza dei risultati pubblicati in recenti articoli su questo argomento, il nostro lavoro dimostra la possibilità di comunicare e trasferire energia seguendo due diversi standard wireless (NFC e A4WP) senza alcun componente elettronico tradizionale. Per progettare e produrre l'antenna e il combinatore vengono utilizzati solo il materiale tessile e le tecniche di lavorazione.