Les moniteurs de santé portables sont conçus pour suivre les mouvements du corps. Mais pour de nombreux appareils, le mouvement pose problème : plus une personne se penche, s’étire, tend les bras ou court, plus il devient difficile pour l’appareil de maintenir une connexion sans fil stable.
Des chercheurs de Penn State et des collaborateurs internationaux ont entrepris de résoudre ce problème en développant une antenne souple et extensible qui continue de fonctionner même lorsqu’elle est étirée dans différentes directions. Ces travaux, publiés dans Nature Communications, pourraient rendre les moniteurs de santé portables plus fiables lors des activités quotidiennes.
« L’application médicale est notre priorité absolue, car nous voyons le fort potentiel que cela représente pour le suivi de la santé humaine », déclare Huanyu « Larry » Cheng, titulaire de la chaire commémorative James L. Henderson Jr. en science et mécanique de l’ingénierie à Penn State et auteur correspondant de l’étude.
L’antenne est conçue pour les communications par radiofréquence, ou RF, une vaste catégorie de technologies sans fil qui comprend le Bluetooth, le Wi-Fi et divers capteurs, notamment les moniteurs de santé. Les antennes ne se contentent pas de transmettre des informations via cette technologie sans fil : elles peuvent aussi récolter de l’énergie par RF pour alimenter un capteur ou d’autres éléments d’un système de surveillance. Contrairement à une antenne rigide classique, la nouvelle conception peut s’étirer avec un tissu ou des matériaux semblables à la peau tout en restant proche de la fréquence nécessaire pour envoyer ou recevoir des signaux ou de l’énergie.
Lors des tests, l’antenne est restée stable même après avoir été étirée jusqu’à 45 % dans plusieurs directions. En général, l’étirement modifie la fréquence à laquelle une antenne est accordée, un peu comme lorsque l’on heurte le cadran d’une radio et que l’on perd la station. La nouvelle conception a maintenu cette variation suffisamment faible pour que l’antenne continue de fonctionner de manière fiable.
Pour Cheng, ces travaux répondent à un défi fondamental de l’électronique portable : les capteurs peuvent être extensibles, mais leurs antennes ne le sont souvent pas.
« Lorsqu’on étire un capteur, tant qu’on ne le casse pas, il fonctionne toujours », explique Cheng. « Mais pour une antenne, on modifie en réalité la fréquence de résonance à cause du fonctionnement des antennes et des RF. L’étirement rend l’antenne plus longue, et la fréquence de résonance diminue. »
Ce décalage est important pour les appareils portables qui dépendent d’une communication sans fil stable.
« Si vous la concevez pour fonctionner à 2,4 gigahertz, par exemple pour un module Bluetooth, et que l’étirement la déplace vers une autre fréquence, l’antenne n’est plus accordée sur la fréquence prévue », précise Cheng. « Vous ne pourrez pas recevoir ce signal ni cette énergie. »
La solution des chercheurs a consisté à repenser la forme de l’antenne. Ils l’ont fabriquée à partir de minuscules particules de métal liquide intégrées dans de l’Ecoflex, un matériau souple ressemblant à du caoutchouc, conçu pour s’étirer sans se rompre. Ils ont également ajouté une ouverture en forme de croix au centre de l’antenne circulaire, une caractéristique de conception clé qui contribue à maintenir la stabilité des signaux sans fil même lorsque l’antenne change de forme. Lorsque l’antenne s’étire, le trajet du signal à l’intérieur ne devient pas simplement plus long ou plus court. La fente aide plutôt à guider ce trajet autour de l’ouverture, ce qui permet à l’antenne de compenser les changements de forme.
« Avec un simple trou circulaire, l’antenne peut fonctionner lorsqu’elle est étirée dans n’importe quelle direction, mais on perd du matériau conducteur, ce qui réduit son efficacité », explique Senhao Zhang, chercheur invité, doctorant en science et mécanique de l’ingénierie et co-auteur correspondant. « Une seule fente préserverait davantage de matériau, mais elle ne serait utile que lorsque l’antenne est étirée dans certaines directions. Nous avons dû trouver un équilibre pour obtenir la meilleure performance globale, et c’est ce que nous avons fait avec la forme en croix. »
Les conceptions précédentes d’antennes extensibles ont progressé, note Cheng, mais beaucoup ne donnaient le meilleur résultat que lorsqu’elles étaient étirées dans une direction spécifique or le corps humain ne bouge pas de cette façon.
Pour montrer que l’antenne pouvait fonctionner au sein d’un système pratique, notamment pour récolter de l’énergie, les chercheurs l’ont testée dans le cadre de deux démonstrations.
Dans une première démonstration, les chercheurs ont montré que l’antenne pouvait récolter l’énergie des ondes radio et la convertir en suffisamment d’électricité pour alimenter une petite lampe à LED — même lorsqu’elle était étirée d’environ 30 % dans différentes directions. Une antenne extensible classique, en comparaison, perdait sa capacité à fournir une alimentation stable après avoir été étirée de seulement 5 % environ.
« Une application pratique nécessitera l’utilisation effective de l’antenne dans la détection et l’intégration du système », explique Cheng. « Ici, la démonstration montre que nous parvenons à intégrer l’ensemble pour que l’énergie puisse être récoltée et les données transmises. »
Dans une seconde démonstration, les chercheurs ont utilisé une version dérivée de l’antenne pour la surveillance sans fil de la santé. Ils l’ont montée sur un T-shirt connecté muni d’électrodes d’électrocardiogramme (ECG) et l’ont connectée à un système de surveillance Bluetooth Low Energy.
Le système a transmis des signaux ECG stables depuis des distances allant d’environ 1,8 mètre à plus de 90 mètres, même après étirement de l’antenne.
Le système a également continué à capturer des signaux ECG reconnaissables lors de mouvements courants, notamment le fait de lever un bras et d’étirer le haut du corps. Lors d’un test en extérieur, il a enregistré l’ECG, la fréquence cardiaque et l’accélération pendant qu’un volontaire courait depuis plus de 90 mètres en direction du récepteur.
Selon Cheng, les bénéfices les plus immédiats se situeront probablement dans le domaine de la santé. Une antenne extensible capable de continuer à communiquer pendant le mouvement pourrait aider les moniteurs portables à suivre les données de santé de manière plus continue et plus fiable au quotidien, pendant l’exercice ou en rééducation.
À plus long terme, Zhang a indiqué que des systèmes RF souples similaires pourraient être utiles au-delà des dispositifs portables humains, notamment dans des robots volants ou des systèmes de surveillance environnementale.
« Nous serions très enthousiastes à l’idée d’appliquer cette technologie à des robots volants capables de surveiller les changements de l’environnement, comme la température et d’autres conditions environnementales », déclare Zhang. « Cela pourrait nous aider à mieux comprendre comment les pollinisateurs, comme les abeilles et d’autres espèces, réagissent à un environnement en mutation. »
L’objectif plus large n’est pas simplement de rendre une antenne extensible, précise Cheng. Il est d’aider l’électronique portable à continuer de communiquer lorsque les personnes bougent naturellement, c’est-à-dire dans les moments où la surveillance continue peut être la plus importante.
Parmi les autres auteurs figure Yangbo Yuan, étudiant de troisième cycle en science et mécanique de l’ingénierie à Penn State. La liste complète des auteurs est disponible dans l’étude.
Article : Multidirectional strain-insensitive stretchable RF electronics – Journal : Nature Communications – DOI : Lien vers l’étude
Source : Penn State U.
