Tatuaje conformal compacto

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 9678 (2023) Citar este artículo

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Este artículo presenta una antena portátil compacta, de bajo perfil y liviana de 35,0 × 35,0 × 2,7 mm3 para la transferencia de energía inalámbrica en el cuerpo. La antena propuesta se puede imprimir fácilmente en un trozo de papel de tatuaje flexible y transformar en un sustrato PDMS, haciendo que toda la estructura de la antena se ajuste al cuerpo humano para lograr una mejor experiencia de usuario. Aquí, se inserta una capa de superficie selectiva de frecuencia (FSS) entre la antena y el tejido humano, lo que ha reducido con éxito los efectos de carga del tejido, con una mejora de 13,8 dB en la ganancia de la antena. Además, la frecuencia de funcionamiento de la reccena no se ve muy afectada por la deformación. Para maximizar la eficiencia de conversión RF-DC, se integran un bucle de adaptación, un trozo de adaptación y dos líneas acopladas con la antena para sintonizar la rectenna de modo que se pueda lograr un amplio ancho de banda (~ 24%) sin el uso de ninguna adaptación externa. redes. Los resultados de las mediciones muestran que la rectina propuesta puede alcanzar una eficiencia de conversión máxima del 59,0% con una potencia de entrada de 5,75 μW/cm2 e incluso puede superar el 40% para una potencia de entrada baja de 1,0 μW/cm2 con una carga resistiva de 20 kΩ, mientras que muchos otras rectennas reportadas solo pueden alcanzar un PCE alto con un nivel de densidad de potencia alto, lo que no siempre es práctico para una antena portátil.

La electrónica portátil ha despertado mucho interés en los últimos años debido a sus amplias aplicaciones en nuestra vida diaria. Se pueden aplicar en muchos lugares, como relojes inteligentes, ropa inteligente y dispositivos de seguimiento de la salud en tiempo real1. Sin embargo, un factor limitante principal de la mayoría de los dispositivos electrónicos portátiles comercializados son sus fuentes de alimentación2. La mayoría de estos dispositivos electrónicos funcionan con baterías, pero desafortunadamente, la batería en sí tiene una vida útil limitada y su tamaño no se reduce tan rápido como los dispositivos electrónicos3. Hoy en día, con el rápido desarrollo de la tecnología 5G, donde las técnicas de formación de haces se utilizan masivamente, la transferencia de energía inalámbrica por microondas (WPT) se ha convertido en una solución atractiva para resolver el problema de la carga de energía4.

En los últimos años se ha informado ampliamente sobre antenas de microondas flexibles fabricadas con materiales textiles para aplicaciones portátiles5,6. Las antenas portátiles también se pueden fabricar galvanizando finas láminas metálicas como cobre7 y oro8 sobre sustratos dieléctricos elásticos, así como imprimiendo tintas de nanopartículas conductoras9 sobre sustratos flexibles. Se eligen tejidos suaves para las antenas portátiles debido a su buena conformidad, flexibilidad y bajo costo10. A pesar de estas excelentes características, el tejido puede tener una pérdida dieléctrica de hasta 8,5 dB/m11. Además, se ha observado una reducción de ganancia en la antena de bordado informada en la Ref.5 debido a la mayor resistencia del hilo conductor. En las referencias 9,12 también se informa sobre antenas impresas por inyección de tinta que se generan utilizando tinta de nanopartículas conductoras sobre sustratos flexibles, como Kapton y PET. A pesar de que estas tintas conductoras de nanopartículas pueden proporcionar una alta conductividad, solo pueden imprimirse en sustratos y medios portadores específicos13. Por ejemplo, la tinta plateada autosinterinable descrita en la Ref.12 sólo puede lograr una resistencia baja con el uso de hojas de impresión comerciales. Esto seguramente limitará la compatibilidad de la tinta de nanopartículas conductoras, ya que la eficiencia de radiación de la antena se ve muy afectada por la pérdida dieléctrica del sustrato y la conductividad de la traza de tinta conductora14. Además, la deposición precisa de la tinta conductora sobre el sustrato requiere un proceso complejo, lo que hace que la fabricación se convierta en un proceso lento y no escalable15. En las referencias 7,8 también se informó sobre una antena portátil que se fabricó utilizando finas láminas metálicas galvanizadas, como cobre y oro, sobre sustratos dieléctricos elásticos. Sin embargo, estas antenas no son capaces de soportar tensiones de tracción16. Por lo tanto, existe el deseo de tener una antena de microondas compacta, flexible, estable, conforme y fácil de fabricar para aplicaciones portátiles.

Para la TIP por microondas, se trata de una reccena que tiene una antena para recibir la potencia de microondas y un rectificador para convertirla en potencia de CC. Se han informado diferentes tipos de rectennas, incluidas las hechas de antena dipolo17, antena de cuadro18, antena de parche11 y antena fractal19. Desafortunadamente, la mayoría de las rectennas reportadas, como la que tiene una antena dipolo alimentada descentrada (longitud total = 100 mm)17, una antena de cuadro rectangular de doble banda (tamaño total = 60 × 33 mm)18 y una antena microstrip La antena de parche (tamaño total = 70 × 70 mm)11 ocupa un espacio grande. En la práctica, para lograr una mejor experiencia de usuario, se requiere que las antenas portátiles sean compactas, de perfil bajo y livianas20. Sin embargo, muy pocas de las soluciones reportadas pueden cumplir los criterios mencionados anteriormente. Además de eso, una rectenna siempre requiere el uso de redes de transformación/adaptación de impedancia, redes de compresión de resistencia o redes selectivas de frecuencia, como las reportadas en las Refs.21,22,23, que seguramente introducirán pérdidas adicionales y aumentarán aún más el circuito. complejidad11,23. Se incorporó una antena de bucle fractal compacta presentada en la Ref.19 con un plano de tierra en bucle (ILGP) para que pueda proporcionar suficiente impedancia para coincidir con el circuito rectificador. Sin embargo, nuevamente, requiere el uso de un balun y múltiples vías para la integración, lo que ha aumentado la complejidad del proceso de diseño del circuito. Diseñar una rectina de 50 Ω compacta y altamente eficiente que no necesite una red coincidente sigue siendo un desafío para la TIP por microondas.

En este artículo, se presenta una antena de bucle de polímero tipo tatuaje compacta, conforme y fácil de fabricar para diseñar una rectina altamente eficiente. Como el cuerpo humano tiene muchas pérdidas, puede provocar que el rendimiento de radiación de la antena se deteriore significativamente. La degradación del patrón de radiación puede provocar errores de transmisión24. En nuestro trabajo, se integra una superficie selectiva de frecuencia (FSS) de polímero de tatuaje 3 × 3 con la antena para aislarla del cuerpo humano con pérdidas. Tanto la antena como el FSS pueden fabricarse rápida y fácilmente utilizando papel de tatuaje comercial y una aleación de metal líquido. Las trazas de “Ag-In-Ga” en nuestra estructura de antena están recubiertas con epoxi plateado y metal líquido para lograr una mayor conductividad (3,8 × 106 S/cm). Nuestro método ha proporcionado una solución alternativa para el problema crucial que frecuentemente encuentran la mayoría de las antenas de tela, cuyas conductividades suelen ser bajas debido a la limitación que plantea la densidad del bordado5. A diferencia de las rectennas de última generación21,22,23, aquí se emplean un bucle de adaptación, un trozo de adaptación y dos líneas acopladas para sintonizar la impedancia de la antena de modo que pueda lograr una impedancia de banda ancha coincidente con la circuito rectificador. La complejidad de la estructura de la antena es simple ya que no requiere el uso de redes externas coincidentes. Finalmente, como nuestra antena tiene una impedancia de 50 Ω, se puede integrar fácilmente con los rectificadores comercializados, como el demostrado en la Ref.25.

Para simular la antena de polímero de tatuaje propuesta, hemos empleado un modelo de tejido multicapa (Syndaver) que comprende capas de piel, grasa y músculo con una dimensión total de 20 × 9 × 11 mm3, como se esquematiza en la Fig. 1a, donde la Las constantes dieléctricas y las tangentes de pérdida26 de todas las capas se dan en la Tabla complementaria S1. La antena de tatuaje propuesta consiste en una antena de cuadro octogonal plana que funciona a 2,40 GHz, que se utilizará para la TIP corporal de campo lejano en el rango de Wi-Fi, como se muestra en la Fig. 1b. La Figura 1c muestra los elementos FSS en forma de anillo de 3 × 3 que se han utilizado para aislar la antena del cuerpo humano. A continuación se describen los procesos de fabricación de la antena de polímero de tatuaje propuesta y el FSS. Primero, el patrón de la antena se imprime en un papel de tatuaje temporal (Amazing Raymond) con un espesor de 5 μm usando una impresora láser común, y luego se recubren los trazos impresos con epoxi plateado (MG Chemicals 8331S). Luego, se recubre el papel con una pequeña cantidad de metal líquido eutéctico galio-indio (EGaIn) y se limpia con una solución acuosa (2% en peso) de ácido acético para eliminar el exceso de EGaIn. Antes de transferirse al cuerpo humano, la antena del tatuaje-polímero se cubre con un fino plástico transparente mediante recubrimiento en aerosol, que funciona como aislante, para evitar el impacto del sudor, que puede causar una reducción en la conductividad de la traza13,14 . Finalmente, la antena del tatuaje y el FSS se transfirieron al sustrato PDMS (εr = 2,5 y tan δ = 0,002) mediante el proceso de hidroimpresión. El PDMS se selecciona para ser el soporte estructural de la antena debido a su mayor flexibilidad, menor costo y fabricación más sencilla, en comparación con otros sustratos poliméricos27. El perfil total de la antena de polímero de tatuaje propuesta es de 2,70 mm, que es más delgada que la mayoría de las antenas portátiles respaldadas por EBG/FSS de última generación, como se resume en la Tabla complementaria S228,28,30,31,32. . La descripción detallada de los procesos de fabricación se puede encontrar en las Refs.13,15,33. Los diseños finales de la antena y el SFS se muestran en las Fig. 1a, b, con todos los valores de los parámetros resumidos en la Tabla 1.

(a) Modelo de tejido humano multicapa compuesto de piel, grasa y músculo con una vista ampliada de la antena de polímero del tatuaje. (b) Vistas superior y lateral de la antena de cuadro. (c) Vista superior del FSS.

Aunque la antena de bucle se ha empleado para recolectar energía18,19, generalmente resulta muy difícil miniaturizar su tamaño, ya que se requiere que la circunferencia de un resonador de bucle típico sea múltiplo de su longitud de onda operativa. Nuestra antena propuesta se emplea para diseñar una rectina compacta que pueda funcionar en el rango de Wi-Fi (2,40–2,48 GHz). En este caso, se prefiere más el bucle octogonal que el bucle cuadrado convencional. Esto se debe a que las curvas cerradas de 90° del bucle cuadrado tienden a generar radiación parásita y pueden degradar el rendimiento de la antena34. Para reducir su frecuencia de resonancia, aquí se cargan dos líneas acopladas en la antena de cuadro. Se añade un bucle de adaptación al bucle para optimizar la impedancia de la antena, que se analizará en detalle en breve. El procedimiento de diseño comienza simulando el coeficiente de reflexión de un bucle octogonal simple sin las dos líneas acopladas en el espacio libre. Con referencia a la Fig. 2a, se encuentra que el modo dominante está ubicado en 3,12 GHz (o λ = 96,15 mm), lo que corresponde bien al perímetro de una circunferencia (101,15 mm). Con la inclusión de las dos líneas acopladas (L6 = 11,00 mm), como se puede observar en la misma figura, la frecuencia de resonancia se ha desplazado hasta 2,94 GHz. Después de realizar la simulación en el espacio libre, que se puede hacer de manera más rápida, la antena ahora se conecta al modelo de tejido humano para una mayor optimización. Debido al efecto de carga del tejido con alta pérdida dieléctrica35, la frecuencia de resonancia de la antena se ha reducido aún más a 1,86 GHz, lo que ha provocado una mala adaptación de impedancia. Muestra que la capa de tejido ha deteriorado significativamente el rendimiento de impedancia de la antena debido a su alta pérdida. Luego, se inserta una capa de FSS de 3 × 3 entre el resonador de bucle y el tejido humano como aislante. Con la inclusión de los sustratos FSS y PDMS, la antena se ajusta para que funcione a 2,40 GHz con una buena adaptación de impedancia, como se muestra en la Fig. 2a. Comparando con el bucle rectangular (circunferencia = 120,30 mm, 0,96λ2,4GHz) en Ref.18 y el bucle fractal (circunferencia = 215,50 mm, 1,30λ1,8 GHz) en Ref.19, la circunferencia de nuestra antena de bucle octogonal ( 94,60 mm, 0,76λ2,4 GHz) es un 21,8% y un 56,1% más pequeño que el primero y el segundo, lo que indica que el nuestro es más compacto.

(a) Simulado |S11| de la antena de polímero de tatuaje propuesta. Efectos de (b) el bucle de adaptación y (c) el trozo de adaptación sobre la impedancia de la antena. (d) distribución actual simulada, (e) campo E y (f) campo H.

Dado que la antena se va a utilizar para WPT, es muy importante que la antena de polímero de tatuaje tenga una buena impedancia que coincida con el circuito rectificador de RF a CC para maximizar la transferencia de potencia de RF. Aunque se pueden introducir circuitos de adaptación y redes de filtrado para mejorar la adaptación de impedancia, pueden aumentar la complejidad y el tamaño del sistema de antena36. Para resolver este problema, nuestra antena está integrada con un bucle de adaptación, un trozo de adaptación y dos líneas acopladas para sintonizar la impedancia de la antena para que coincida con el rectificador de 50 Ω. Al ajustar las longitudes del bucle de adaptación (M1) y el ramal de adaptación (L7), se puede lograr fácilmente una buena adaptación de impedancia en un ancho de banda amplio, como se muestra en las figuras 2b,c. La Figura 2d muestra la distribución de la corriente superficial en la antena final de polímero de tatuaje, con los campos eléctricos y magnéticos correspondientes que se muestran en las Figuras 2e, f. Se encuentra que las corrientes son más densas cerca del puerto de alimentación. Debido al pequeño espacio abierto en el extremo opuesto, la intensidad de la corriente disminuye en este lugar. Las fuertes corrientes en el bucle de adaptación muestran que es altamente inductivo, lo que implica que sintonizar el bucle es eficaz para cambiar la impedancia de la antena. También se puede justificar por los campos eléctricos y magnéticos que la antena de cuadro ha irradiado bien. También se observa que la capa FSS ha aislado eficazmente la antena del tejido humano.

En esta sección, se analiza el procedimiento de diseño del FSS. Se selecciona el FSS en forma de anillo porque tiene una estructura simple. Según un estudio presentado en la Ref.37, el anillo FSS tiene radiación de espalda baja cuando se integra con un dipolo. Primero, el elemento FSS se coloca en el modelo de tejido humano y se simula dentro de una celda unitaria para una estructura finita, que está disponible en el software CST MWS, como se muestra en la Fig. 3a. Se emplean dos puertos de guía de ondas para generar ondas planas que se propagan en las direcciones + z y − z. Con referencia a la misma figura, dos paredes magnéticas (Ht = 0) se colocan perpendicularmente a la dirección x, mientras que dos paredes eléctricas (Et = 0) se definen verticalmente en la dirección y. La Figura 3b muestra la fase de reflexión simulada del elemento FSS en forma de anillo con diferentes radios [R = 5 mm (0,042λ2,4GHz), 4 mm (0,032λ2,4GHz) y 3 mm (0,025λ2,4GHz)] en el rango de fase de 180° a − 180° con respecto a la frecuencia. La fase de reflexión se obtiene desincorporando el plano de referencia a la superficie del elemento. Se observa una fase de reflexión de ~ 0° cerca de la frecuencia operativa de 2,40 GHz38 para el caso R = 0,025λ2,4GHz. Esto es para garantizar que la onda reflejada esté en fase con la onda incidente en el modelo de tejido39. Los coeficientes de transmisión y reflexión correspondientes también se simulan y se muestran en la Fig. 3c. Para el caso de R = 0,025λ2,4GHz, los coeficientes de reflexión y transmisión son −30,7 dB y −7,45 dB, respectivamente, que corresponden a 0,029 y 0,424 a la frecuencia de funcionamiento de 2,40 GHz. Para la pérdida de inserción calculada 1 − |S11|2 − |S22|2 = 0,82, se observa que el tejido humano tiene muchas pérdidas debido a su alta pérdida de inserción.

(a) Modelo FSS dentro de una celda unitaria. (b) Fase de reflexión para diferentes radios de elementos. (c) Coeficientes de reflexión y transmisión simulados. Valor de SAR simulado para (d) 1 g de tejido biológico sin y con FSS, y (e) 10 g de tejido biológico sin y con FSS.

Dado que la antena de polímero para tatuajes propuesta está diseñada para aplicaciones portátiles, la tasa de absorción específica (SAR) es un factor importante a considerar, ya que es necesario colocarla cerca del cuerpo humano35. Aquí, la simulación SAR se lleva a cabo estableciendo un modelo de tejido humano biológico multicapa utilizando el software CST. Luego, la antena de polímero para tatuajes se coloca justo encima del tejido biológico con una distancia de separación de 5 mm28. La potencia de entrada a la antena se establece en 100 mW a 2,40 GHz y el SAR se calcula de acuerdo con los estándares IEEE C 95.1. Los valores de SAR se simulan promediando los volúmenes muestreados de 1 gy 10 g. Al comparar la Fig. 3d, se observa que la capa FSS ha reducido con éxito el SAR de 3,12 W/kg a 0,76 W/kg. También se observa una tendencia similar en la Fig. 3e, donde el SAR correspondiente se puede reducir de 1,71 a 0,50 W/kg. Se ha realizado una comparación en la Tabla 2. Se encuentra que la capa FSS redujo el SAR hasta en un 75,5% y un 70,0%, respectivamente, para los tejidos biológicos en los volúmenes muestreados de 1 gy 10 g. En comparación con la antena de ranura extensible respaldada por EBG líquida en la Ref.40 y la antena plana F invertida respaldada por EBG en la Ref.41, los SAR de nuestra antena de bucle octogonal integrada en FSS son 64,0% y 27,6% más bajos que los de la Refs.40,41 haciendo referencia al volumen de 1 g de muestra de tejido (estándares de EE. UU.); mientras que son un 34% y un 42% más bajos que las antenas portátiles reportadas en las referencias 41,42 con un volumen de muestra de tejido de 10 g (estándares europeos), lo que indica que nuestra antena de bucle octogonal integrada en FSS ha logrado un SAR más bajo con un tamaño más compacto. . Los detalles de la comparación se resumen en la Tabla complementaria S3.

La antena de polímero para tatuajes se integró con el FSS y se fabricó, y el experimento se llevó a cabo utilizando una sonda diferencial43, como se muestra en la Fig. 4a. En este caso, la antena se coloca sobre una capa de piel artificial médica26. La Figura 4b ilustra los coeficientes de reflexión simulados y medidos de la antena de polímero de tatuaje integrada en FSS, donde se observa una buena concordancia entre la simulación y la medición. Implica que el modelo de tejido humano multicapa se puede utilizar para representar muy bien las propiedades de la capa de piel artificial. Con referencia a la figura, la frecuencia de resonancia medida es ~ 0,05 GHz mayor que la simulada, con una discrepancia de ~ 2 %, lo que puede deberse a las tolerancias de fabricación de la antena de polímero de tatuaje. Las impedancias de antena correspondientes se demuestran en la Fig. 4c, que muestra una concordancia razonable (discrepancia de ~ 2% a una frecuencia resonante de 2,45 GHz) entre la simulación y el experimento.

(a) Configuración experimental de medición para coeficientes de reflexión. Simulado y medido (b) coeficientes de reflexión y (c) impedancias de antena.

La Figura complementaria S1 muestra los patrones de radiación de campo lejano simulados y medidos (plano yz, plano xz y plano xy) del polímero de tatuaje integrado a 2,40 GHz cuando se coloca sobre la capa de piel artificial. Con fines de comparación, los patrones de radiación de la antena de cuadro en tejido sin FSS (como se muestra en la figura complementaria S1) también se analizan en la misma frecuencia. La ganancia de antena medida del polímero de tatuaje integrado en el SFS propuesto es − 2,33 dB (simulación − 1,13 dB) en θ = 0°, que es 16,14 dB mayor que en el caso sin ningún SFS (simulación − 15,70 dB). Se puede lograr una mejora considerable de la ganancia (13,8 dB) en la puntería integrando la antena de cuadro con la estructura del SFS. Muestra que la capa FSS ha aislado con éxito la antena de la piel y ha mejorado significativamente el rendimiento de la radiación.

En aplicaciones prácticas, es necesario llevar una antena portátil sobre el cuerpo humano, lo que puede provocar que se doble o deforme. La frecuencia de resonancia y la adaptación de impedancia de la antena son susceptibles a cambios debido a la deformación estructural38. Por lo tanto, es crucial garantizar que la frecuencia de funcionamiento de una antena portátil permanezca estable incluso cuando sufre deformación. Se realizó un experimento basado en la estructura que se muestra en la Fig. 5a, y la configuración detallada se puede encontrar en la sección de métodos. Las frecuencias resonantes de la antena de polímero de tatuaje para diferentes escenarios de flexión en los ejes x e y se midieron y representaron en las figuras 5b, c. En todos los casos, se encontró que la frecuencia resonante y el ancho de banda de impedancia (|S11| < − 0 dB, ⁓ 24% de ancho de banda fraccional con y sin flexión) eran relativamente estables y no se veían afectados significativamente por la curvatura de flexión. Esta es una característica importante de la electrónica portátil.

(a) Configuración experimental para doblar la antena de polímero de tatuaje integrada en FSS a lo largo de la dirección x. Coeficiente de reflexión medido cuando se dobla a lo largo de (b) eje y y (c) eje x. Antena integrada en FSS colocada en diferentes ubicaciones del cuerpo: (a) mano, (b) pecho, (c) y pierna. Coeficiente de reflexión medido sobre placa acrílica y tejidos.

También se investigó en escenarios prácticos el impacto de los objetos de respaldo en el rendimiento de la antena. La antena de polímero de tatuaje integrada en FSS se colocó en la mano, el pecho y la pierna de un voluntario masculino como se muestra en la Fig. 5d. El coeficiente de reflexión (| S11 |) se midió en la Fig. 5e para estudiar los efectos de diferentes partes del cuerpo humano en la antena de polímero de tatuaje. Se midió que la frecuencia de resonancia del polímero de tatuaje integrado en FSS fue de 2,44 GHz cuando se coloca en la pierna y el pecho con anchos de banda fraccionarios de 16,0% y 10%, respectivamente. Se observó un ligero cambio (0,02 GHz) cuando la antena se colocó en la mano, donde la frecuencia de resonancia ahora es de 2,47 GHz con un ancho de banda fraccional del 16,0%. En todos los casos, la capa FSS ha logrado proteger la antena del cuerpo humano, aunque el ancho de banda fraccional puede verse ligeramente afectado. El polímero de tatuaje integrado en FSS también se probó en materiales portátiles comunes, como telas [100% algodón y poliéster-algodón (65% algodón y 35% poliéster)] y placas acrílicas para simular escenarios de la vida real (ropa y relojes). ). Los resultados de la medición se muestran en la Fig. 5f. Para facilitar la comparación, el coeficiente de reflexión medido para la piel artificial también se representa en la misma figura. Con referencia a la Fig. 5f, la frecuencia de resonancia se desplaza hacia 2,48 GHz (ancho de banda fraccional = 24,5%) cuando la antena se coloca sobre acrílico. La frecuencia ha disminuido ligeramente a 2,43 GHz (ancho de banda fraccional = 24,0%) y 2,44 GHz (ancho de banda fraccional = 28,0%) cuando la antena se coloca sobre poliéster-algodón y 100% algodón, respectivamente. En conclusión, las telas de carga tienen muy poco efecto sobre el ancho de banda fraccional y la frecuencia de resonancia del polímero de tatuaje integrado en FSS, que es una característica muy deseada para la electrónica portátil.

El rendimiento de potencia inalámbrica de la antena de polímero de tatuaje propuesta se evaluó realizando un barrido de carga de 0 a 100 kΩ en tres densidades de potencia fijas, S (5,75, 3,67 y 1,32 μW/cm2) a 2,45 GHz, utilizando la configuración experimental representada. en la figura 6a. El voltaje de salida de la antena de polímero de tatuaje se convirtió en CC utilizando el circuito que se muestra en la Fig. 6b. Se pueden encontrar más detalles sobre la configuración de la medición en la sección de métodos. La Figura 6c muestra que la rectenna propuesta puede alcanzar un PCE máximo de 59,0%, 49,8% y 44,7%, respectivamente, con 0,72, 0,59 y 0,33 VCC sobre una carga de 20 kΩ. Se observa que el voltaje de salida de la antena propuesta es lineal y la carga óptima no varía con diferentes densidades de potencia. Implica que el diseño propuesto no requiere la capacidad de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) para mantener su PCE11 máximo, que es una característica muy deseable. Después de seleccionar la carga óptima (20 kΩ), se realiza un barrido de frecuencia entre 1,0 y 3,0 GHz a diferentes densidades de potencia (S) para medir el ancho de banda de la antena. La Figura 6d muestra la potencia de salida de la antena rectificadora de polímero de tatuaje a diferentes frecuencias, lo que muestra que esta rectenna es óptima dentro de toda la banda de paso (⁓ 2,5% que cubre 2,2–2,5 GHz). Por último, se realiza un barrido de potencia para estudiar el rendimiento de la antena en diferentes S. La Figura 6e muestra la salida de CC medida de la rectenna para 0,1

(a) Configuración de medición de potencia inalámbrica. (b) Multiplicador de voltaje de 6 etapas que utiliza un diodo BAT15-03W (impedancia de 50 Ω). (c) Diagrama esquemático del multiplicador de voltaje de 6 etapas. (d) Salida de CC inalámbrica medida de la antena a 2,45 GHz bajo barrido de carga. (e) Potencia de salida de CC inalámbrica medida de la antena con la carga óptima de 20 kΩ a diferentes frecuencias. (f) Salida de voltaje de CC inalámbrica medida y PCE de la antena bajo barrido de potencia con la carga óptima de 20 kΩ.

(a) Demostración de TIP corporal utilizando un enrutador Wi-Fi y la rectenna propuesta. (b) Vista de cerca de la rectina propuesta y un reloj digital. (c) Diagrama de bloques de la TIP corporal utilizando un enrutador Wi-Fi y la rectenna propuesta.

Demostración de WPT en el cuerpo utilizando un punto de acceso móvil y la rectenna propuesta: (a) el punto de acceso móvil está en condición APAGADO, (b) el punto de acceso móvil está en condición ENCENDIDO. (c) Diagrama de bloques de la TIP corporal utilizando un punto de acceso móvil y la reccena propuesta.

La rectenna propuesta se compara con las rectennas de baja potencia de última generación, como se muestra en la Tabla complementaria S4. Nuestra rectenna puede alcanzar un PCE más alto que las antenas textiles de las Refs.38,44. Esto se debe a que nuestra antena no necesita el uso de circuitos de adaptación externos ni líneas de transmisión largas, que pueden introducir pérdidas de inserción adicionales. Con referencia a la tabla, se pudo lograr un nivel similar de PCE para las rectennas portátiles en las Refs.11,19. En la Ref.11 se empleó una red de adaptación de compresión de resistencia para poder lograr una mayor sensibilidad al voltaje de CC y un mejor PCE. Mientras que en la Ref.19, se activó un plano de tierra en bucle (ILGP) para ajustar la impedancia de una antena de bucle a ⁓ 50 Ω para lograr un PCE alto (61%). La estructura ILGP se conectó a la antena de cuadro a través de una vía metálica. Para ambos, sin embargo, el empleo de estos circuitos externos adicionales seguramente aumentará la complejidad de la antena. Por el contrario, nuestra estructura de antena propuesta es bastante simple ya que no requiere el uso de ninguna red de adaptación externa. Además de eso, muchas otras rectennas propuestas para WPT y recolección de energía (EH) han puesto énfasis en maximizar el PCE. Sin embargo, a menudo un PCE alto sólo se podía lograr con niveles de densidad de potencia elevados (más de 100 μW/cm2)45. Por ejemplo, Falkenstein et al. informaron sobre una antena de parche dual polarizada linealmente con eficiencias totales superiores al 50% para una alta densidad de potencia de 25 a 200 μW/cm246. Harouni et al. informó una rectina compacta de doble polarización circular de 2,45 GHz con PCE = 63% para una alta densidad de potencia de 525 μW/cm247. Además, la antena dipolo de doble frecuencia CPS reportada por Suh48 logró PCE altos de 84,4% y 82,7% a 2,45 y 5,80 GHz, respectivamente. Aunque las rectennas reportadas tienen un PCE razonablemente mejor con una mayor densidad de potencia, en la práctica, la potencia de RF/microondas disponible en un ambiente ambiente suele ser muy baja. Por ejemplo, según la medición de la encuesta de RF de Londres informada por Piñuela49, la densidad de potencia promedio de Wi-Fi (2,40–2,50 GHz) es de solo 0,89 nW/cm2 en la mayoría de las estaciones de metro. Se encontró que la densidad de potencia estaba en el rango de 0,0017–0,8594 μW/cm2 para el espectro de telecomunicaciones de la Unión Europea (UE) de 10 MHz–6 GHz bajo mediciones de CEM de RF a largo plazo50. Por lo tanto, es importante que una reccena pueda funcionar y mantener una alta eficiencia con una densidad de potencia ultrabaja. En comparación con las rectennas informadas en las Refs.45,50, nuestra rectenna propuesta puede lograr eficiencias más altas del 8,5% y 7,5%, respectivamente, con densidades de potencia más bajas del 125% y 110%, lo que indica que nuestra rectenna propuesta puede lograr una mayor sensibilidad. .

En resumen, este trabajo ha presentado el diseño y la medición de una antena de bucle integrada FSS de polímero de tatuaje compacta para transferencia de energía inalámbrica en el cuerpo con PCE alto, que funciona bien en niveles de potencia bajos y está intrínsecamente adaptada a 50 Ω. sin necesidad de circuitos externos coincidentes. La demostración de prueba de concepto muestra que la TIP se puede lograr a través de la rectina propuesta recolectando energía de las fuentes de microondas/RF, como el enrutador Wi-Fi y el punto de acceso móvil. Los avances recientes en la electrónica de potencia ultrabaja han llevado a la aparición de varios dispositivos portátiles con un consumo de energía tan bajo como nW a μW, como un sensor de presión (consumo mínimo de energía = 10,0 μW)51, un sensor de oximetría de pulso orgánico (consumo mínimo de energía = 24,0 μW)52, y un electrocardiograma biomédico (consumo mínimo de energía = 75,0 nW)53. Según los resultados que se muestran en la Fig. 6, la antena de polímero para tatuajes propuesta puede alcanzar una potencia de salida máxima de ~ 26,0 μW, y esta potencia es suficiente para estos dispositivos portátiles de potencia ultrabaja informados recientemente. Además, con el auge de la tecnología 5G, las técnicas de formación de haces se utilizan masivamente, lo que ha convertido a la TIP de microondas en una fuente de energía ventajosa4. Aunque las perspectivas son prometedoras, la aplicación de la antena de polímero de tatuaje a la TIP de microondas se encuentra todavía en sus primeras etapas. Aún quedan por explorar muchas cuestiones cruciales, como la resistencia al desgaste y la durabilidad a largo plazo. Siempre se necesitan más mejoras en la potencia de salida máxima de la rectenna y en el PCE para alimentar una gama más amplia de dispositivos electrónicos con un consumo de energía en el rango de mW. Por lo tanto, los esfuerzos futuros se centrarán en una mayor caracterización de la durabilidad del dispositivo y la potencia de salida WPT de la antena de polímero de tatuaje propuesta, que incluye encapsulación con una película Tegaderm para mejorar la resistencia al desgaste, así como una mejora en la potencia de salida a través de un módulo de refuerzo comercializado. o unidad de matriz.

Se ha propuesto una antena de bucle portátil integrada en FSS de polímero de tatuaje para la transferencia de energía inalámbrica. Tanto la antena como el FSS se pueden imprimir fácilmente en una hoja de papel para tatuajes. La huella y el perfil de la antena propuesta son más pequeños que los de la mayoría de las antenas portátiles de última generación. La capa SFS ha mejorado con éxito el rendimiento de radiación de la antena de cuadro en el cuerpo humano en la visión de puntería, con una mejora significativa de la ganancia de ~ 13,8 dB. Además, el FSS puede mejorar el SAR hasta en un 75,5% en el tejido biológico. Se realizó una prueba de flexión en la antena portátil propuesta, donde se encontró que la frecuencia de resonancia y el ancho de banda de impedancia son muy estables. El rendimiento de la antena no se ve muy afectado por su propia deformación estructural. Para la transferencia de energía inalámbrica, la antena integrada en FSS se conectó con un multiplicador de voltaje de 6 etapas de 50 Ω. Se ha observado en experimentos que se puede lograr una eficiencia máxima del 59,0% con una potencia de entrada de 5,75 μW/cm2. Se ha descubierto que la eficiencia puede superar el 40 % incluso con una potencia de entrada baja de 1,0 μW/cm2. Muestra que nuestra rectenna propuesta puede funcionar bien con niveles de potencia bajos.

El polímero de tatuaje integrado en FSS propuesto se colocó sobre una curvatura artificial creada al envolver piel artificial alrededor de espuma de poliestireno cilíndrica de diámetros 70 mm, 100 mm y 120 mm para producir diversos grados de deformación estructural como se muestra en la Fig. 5a. La flexión de la antena en los ejes x e y se puede medir girándola 90° alrededor de su propio eje z. Los diámetros elegidos simulan los tamaños típicos de una pierna, mano y pecho humanos28. Los efectos de la carga de objetos de respaldo se analizan para escenarios realistas. El polímero de tatuaje integrado en FSS se colocó en la mano, el pecho y la pierna, como se muestra en la Fig. 5d. También se probó en materiales portátiles comunes, como telas de algodón y poliéster-algodón y placas acrílicas, para simular condiciones de la vida real (ropa y relojes). La medición corporal fue aprobada por la Universiti Tunku Abdul Rahman bajo su Código de Conducta y Ética de Investigación (POL IPSR R&D 004) y su Código de Práctica para la Investigación con Seres Humanos (POL IPSR R&D 005), y fue revisada rápidamente por el Instituto de Postgrado. Estudios e Investigaciones (IPSR) en la Universiti Tunku Abdul Rahman. Se obtuvo el consentimiento informado de los participantes. Todos los experimentos se realizaron siguiendo las directrices y regulaciones pertinentes.

Se utilizó un generador de señales de microondas (Rohde & Schwarz SMB100A) para transmitir una onda continua a 2,45 GHz (con una potencia que oscila entre 0 y 30 dBm) utilizando una antena de bocina como fuente. La antena de tatuaje-polímero, colocada a 1,80 m de distancia de la fuente, se conectó a una carga resistiva variable a través de su salida de CC. Para cumplir con los criterios mínimos de campo lejano de Fraunhofer, se mantuvo una distancia de 1,20 m entre la antena de bocina y la antena propuesta. Se utilizó un multiplicador de voltaje de 6 etapas, diseñado con diodos BAT15-03W (diodos Schottky de barrera baja), para convertir la energía de microondas recolectada en un voltaje de CC. El circuito rectificador, fabricado en una PCB flexible, se modificó a partir de la Ref.44 para que coincida con la impedancia de la antena de 50 Ω. La figura 6 ilustra la configuración experimental general y el multiplicador de voltaje de 6 etapas. La potencia disponible en la antena receptora de polímero tipo tatuaje se puede calcular a partir de la densidad de potencia de la onda plana incidente y el área efectiva de la antena (Aeff)47, como lo indica la ecuación. (1)

donde GR representa la ganancia de la antena de polímero de tatuaje en el extremo receptor. La eficiencia de conversión de potencia (PCE) de la antena receptora se puede calcular utilizando la ecuación. (2) 48.

donde V es el voltaje CC de salida medido a través de una carga ZL y S es la densidad de potencia de la onda plana incidente.

Los conjuntos de datos utilizados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

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Xi Liang Chang y Pei Song Chee

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Eng Hock Lim

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XL realizó simulaciones de diseño y fabricaciones, realizó experimentos y redactó el borrador. XL, PS y EH analizaron los resultados. PS y EH supervisaron el proyecto y obtuvieron la financiación. PS es el autor correspondiente y EH es el coautor correspondiente. Todos los autores revisaron y editaron el manuscrito.

Correspondencia a Pei Song Chee o Eng Hock Lim.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Chang, XL, Chee, PS y Lim, EH Antena compacta de polímero de tatuaje conformado para transferencia de energía inalámbrica en el cuerpo. Informe científico 13, 9678 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36335-6

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Recibido: 29 de enero de 2023

Aceptado: 01 de junio de 2023

Publicado: 15 de junio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36335-6

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