Dessa dagar, många återförsäljare och tillverkare spårar sina produkter med RFID, eller radiofrekvensidentifieringsetiketter. Ofta, dessa taggar kommer i form av pappersbaserade etiketter utrustade med en enkel antenn och minneschip. När du slår på en mjölkkartong eller jackkrage, RFID-taggar fungerar som smarta signaturer, sända information till en radiofrekvensläsare om identiteten, stat, eller platsen för en viss produkt.

Förutom att hålla koll på produkter genom hela försörjningskedjan, RFID-taggar används för att spåra allt från kasinochips och boskap till nöjesparksbesökare och maratonlöpare.

Auto-ID Lab vid MIT har länge legat i framkant när det gäller att utveckla RFID-teknik. Nu vänder ingenjörer i denna grupp tekniken mot en ny funktion:avkänning. De har utvecklat en ny ultrahög frekvens, eller UHF, RFID-tagg-sensorkonfiguration som känner av toppar i glukos och trådlöst överför denna information. I framtiden, teamet planerar att skräddarsy taggen för att känna av kemikalier och gaser i miljön, såsom kolmonoxid.

"Människor ser mot fler applikationer som avkänning för att få ut mer värde av den befintliga RFID-infrastrukturen, " säger Sai Nithin Reddy Kantareddy, en doktorand vid MIT:s institution för maskinteknik. "Föreställ dig att skapa tusentals av dessa billiga RFID-taggsensorer som du bara kan slå på väggarna i en infrastruktur eller de omgivande föremålen för att upptäcka vanliga gaser som kolmonoxid eller ammoniak, utan att behöva ett extra batteri. Du kan distribuera dessa billigt, över ett enormt nätverk."

Kantareddy utvecklade sensorn med Rahul Bhattacharya, en forskare i gruppen, och Sanjay Sarma, Fred Fort Flowers och Daniel Fort Flowers professor i maskinteknik och vice VD för öppet lärande vid MIT. Forskarna presenterade sin design vid IEEE International Conference on RFID, och deras resultat visas online den här veckan.

"RFID är det billigaste, RF-kommunikationsprotokoll med lägsta effekt där ute, " säger Sarma. "När generiska RFID-chips kan användas för att känna av den verkliga världen genom tricks i taggen, äkta genomgripande förnimmelse kan bli verklighet."

Förvirrande vågor

För närvarande, RFID-taggar finns i ett antal konfigurationer, inklusive batteristödda och "passiva" varianter. Båda typerna av taggar innehåller en liten antenn som kommunicerar med en fjärrläsare genom att sprida RF-signalen, skicka den en enkel kod eller uppsättning data som lagras i taggens lilla integrerade chip. Batteristödda taggar inkluderar ett litet batteri som driver detta chip. Passiva RFID-taggar är designade för att hämta energi från läsaren själv, som naturligtvis sänder ut precis tillräckligt med radiovågor inom FCC-gränserna för att driva taggens minneschip och ta emot en reflekterad signal.

Nyligen, forskare har experimenterat med sätt att förvandla passiva RFID-taggar till sensorer som kan fungera under långa tidsperioder utan behov av batterier eller byten. Dessa ansträngningar har vanligtvis fokuserat på att manipulera en taggs antenn, konstruera den på ett sådant sätt att dess elektriska egenskaper förändras som svar på vissa stimuli i miljön. Som ett resultat, en antenn ska reflektera radiovågor tillbaka till en läsare med en karakteristiskt annorlunda frekvens eller signalstyrka, indikerar att ett visst stimuli har upptäckts.

Till exempel, Sarmas grupp har tidigare designat en RFID-tag-antenn som förändrar hur den sänder radiovågor som svar på fukthalten i jorden. Teamet tillverkade också en antenn för att känna av tecken på anemi i blod som flödar över en RFID-tagg.

Men Kantareddy säger att det finns nackdelar med sådana antenncentrerade konstruktioner, den viktigaste är "flervägsinterferens, "en förvirrande effekt där radiovågor, även från en enda källa som en RFID-läsare eller antenn, kan reflekteras från flera ytor.

"Beroende på miljön, radiovågor reflekteras från väggar och föremål innan de reflekteras från taggen, som stör och skapar oljud, " Säger Kantareddy. "Med antennbaserade sensorer, det finns större chans att du får falska positiva eller negativa, vilket betyder att en sensor kommer att berätta för dig att den kände av något även om den inte gjorde det, eftersom det påverkas av radiofältens störningar. Så det gör antennbaserad avkänning lite mindre tillförlitlig."

Chips bort

Sarmas grupp tog ett nytt tillvägagångssätt:Istället för att manipulera en taggs antenn, de försökte skräddarsy dess minneschip. De köpte fabriksintegrerade chips som är designade för att växla mellan två olika strömlägen:ett RF-energibaserat läge, liknande helt passiva RFID; och ett lokalt energiassisterat läge, från ett externt batteri eller kondensator, liknande semipassiva RFID-taggar.

Teamet arbetade in varje chip till en RFID-tagg med en standard radiofrekvensantenn. I ett nyckelsteg, forskarna byggde en enkel krets runt minneskretsen, gör det möjligt för chipet att växla till ett lokalt energiassisterat läge endast när det känner av ett visst stimuli. I detta assisterade läge (kommersiellt kallat batteriassisterat passivt läge, eller BAP), chippet avger en ny protokollkod, skiljer sig från den normala koden den sänder i passivt läge. En läsare kan sedan tolka denna nya kod som en signal om att ett stimuli av intresse har upptäckts.

Kantareddy säger att den här chipbaserade designen kan skapa mer tillförlitliga RFID-sensorer än antennbaserade konstruktioner eftersom den i huvudsak separerar en taggs avkännings- och kommunikationskapacitet. I antennbaserade sensorer, både chippet som lagrar data och antennen som sänder data är beroende av de radiovågor som reflekteras i omgivningen. Med denna nya design, ett chip behöver inte vara beroende av störande radiovågor för att känna av något.

"Vi hoppas att tillförlitligheten i data kommer att öka, " Säger Kantareddy. "Det finns en ny protokollkod tillsammans med den ökade signalstyrkan när du känner av, och det finns mindre chans för dig att förvirra när en tagg känner av jämfört med att inte känna av."

"Det här tillvägagångssättet är intressant eftersom det också löser problemet med informationsöverbelastning som kan associeras med ett stort antal taggar i miljön, " Bhattacharyya säger. "Istället för att ständigt behöva analysera genom strömmar av information från passiva taggar med kort räckvidd, en RFID-läsare kan placeras tillräckligt långt bort så att endast händelser av betydelse kommuniceras och behöver bearbetas."

"Plug-and-play"-sensorer

Som en demonstration, forskarna utvecklade en RFID-glukossensor. De sätter upp kommersiellt tillgängliga glukosavkännande elektroder, fylld med elektrolyten glukosoxidas. När elektrolyten interagerar med glukos, elektroden producerar en elektrisk laddning, fungerar som en lokal energikälla, eller batteri.

Forskarna fäste dessa elektroder till en RFID-taggs minneschip och krets. När de tillsatte glukos till varje elektrod, den resulterande laddningen fick chipet att byta från sitt passiva RF-strömläge, till det lokala laddningsassisterade strömläget. Ju mer glukos de tillsatte, ju längre chippet stannade i detta sekundära strömläge.

Kantareddy säger att en läsare, känner av det här nya strömläget, kan tolka detta som en signal om att glukos finns. Läsaren kan potentiellt bestämma mängden glukos genom att mäta den tid under vilken chipet stannar i batteriassisterat läge:Ju längre det förblir i detta läge, desto mer glukos måste det finnas.

Medan teamets sensor kunde detektera glukos, its performance was below that of commercially available glucose sensors. Målet, Kantareddy says, was not necessarily to develop an RFID glucose sensor, but to show that the group's design could be manipulated to sense something more reliably than antenna-based sensors.

"With our design, the data is more trustable, " Kantareddy says.

The design is also more efficient. A tag can run passively on RF energy reflected from a nearby reader until a stimuli of interest comes around. The stimulus itself produces a charge, which powers a tag's chip to send an alarm code to the reader. The very act of sensing, därför, produces additional power to power the integrated chip.

"Since you're getting energy from RF and your electrodes, this increases your communication range, " Kantareddy says. "With this design, your reader can be 10 meters away, rather than 1 or 2. This can decrease the number and cost of readers that, säga, a facility requires."

Går framåt, he plans to develop an RFID carbon monoxide sensor by combining his design with different types of electrodes engineered to produce a charge in the presence of the gas.

"With antenna-based designs, you have to design specific antennas for specific applications, " Kantareddy says. "With ours, you can just plug and play with these commercially available electrodes, which makes this whole idea scalable. Then you can deploy hundreds or thousands, in your house or in a facility where you could monitor boilers, gas containers, or pipes."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.