ZESPÓŁ AUTORSKI

Politechnika Rzeszowska im. Ignacego Łukasiewicza

dKierownik zespołu: Piotr Jankowski-Mihułowicz
Członek zespołu: Mariusz Węglarski

CO MOŻNA OSIĄGNĄĆ DZIĘKI WYNALAZKOWI?

Przedmiotem wynalazku jest unikalny pod względem konstrukcji – elektroniczny identyfikator radiowy (RFID – ang. Radio Frequency IDentification), który w przyszłości znajdzie zastosowanie w wyrobach tekstronicznych (oznaczonych skrótem RFIDtex), zwłaszcza podczas monitorowania i automatyzacji procesów na każdym etapie cyklu życia tych wyrobów (tj. podczas ich produkcji, magazynowania, dystrybucji, eksploatacji, serwisu i utylizacji).

Powszechnie znane elektroniczne identyfikatory RFID są zbudowane z półprzewodnikowego chipu i anteny, które są umieszczone na wspólnym, sztywnym lub elastycznym podłożu. Typowo, znajdują one zastosowanie np. w światowych łańcuchach dostaw (Internet rzeczy IoT – ang. Internet of Things), systemach zabezpieczeń i kontroli dostępu, w przemysłowych procesach logistycznych i w wielu innych obszarach gospodarki, nauki, techniki czy medycyny. Z kolei objęty wynalazkiem wyrób tekstroniczny RFIDtex jest to produkt branży tekstylnej (np. tekstylia powszechnego użytku, bielizna szpitalna i operacyjna, odzież robocza i ochronna, tekstylia sektora hotelarskiego oraz gastronomicznego – branży HoReCa, a także specjalistyczna odzież i inne tekstylia różnego przeznaczenia), z którym w sposób trwały są zintegrowane komponenty elektryczne i/lub elektroniczne, dla celu uzyskania rozwiązań o specyficznych właściwościach użytkowych, objętych pełnym cyklem życia tego wyrobu.

Zastosowanie układów sprzęgających zaproponowanych w patencie pozwala na rozdzielenie typowej struktury identyfikatora RFID na dwa niezależnie wytwarzane komponenty. Moduł antenowy może być wyhaftowany nićmi przewodzącymi, przyszyty lub wprasowany w materiał tekstylny, a wówczas moduł mikroelektroniczny wytworzony w postaci półproduktu (np. guzika lub wszywki) – z łatwością może być integrowany z wyrobem tekstronicznym RFIDtex. Główną zaletą takiego rozwiązania jest uzyskanie odpowiedniej elastyczności i odporności w procesie produkcyjnym wykorzystującym metody standardowo stosowane przy wytwarzaniu tekstyliów, co przekłada się na obniżenie kosztów produkcji oraz komfort kreowania systemów identyfikacji na kolejnych etapach cyklu życia wyrobu.

Praktyczna przydatność użytkowa zaproponowanego identyfikatora tekstronicznego zintegrowanego w systemie RFID polega przede wszystkim na możliwości jego wykorzystania w całym cyklu życia znakowanego produktu, zapewniając dodatkowe funkcje użytkowe na każdym etapie: produkcji (np. polepszona kontrola jakości), magazynowania (np. kompletna informacja o stanach magazynowych), dystrybucji hurtowej (np. dynamiczne rozpoznawanie wyrobów) i detalicznej (np. natychmiastowa informacja o parametrach, reklama), użytkowania (np. eksponowanie do inteligentnych urządzeń sposobu konserwacji odzieży), utylizacji (np. udostępnienie pełnej informacji o składzie materiałowym produktu). Rozwiązanie ma istotne zastosowanie w jednostkach ochrony zdrowia, gdzie postępowanie z poszczególnymi grupami tekstyliów (przykładowo bielizną szpitalną i operacyjną) jest regulowane rygorystycznymi przepisami wymuszającymi pozyskiwanie dokładnej informacji o stanie inwentarza (w tym np. prawidłowości jego utrzymania, sposobie konserwacji, stopniu zużycia). Kolejnym zastosowaniem wynalazku jest możliwość jego wykorzystania w urządzeniach AGD powszechnego użytku (np. pralkach, odkurzaczach, żelazkach). Na przykład prawidłowy proces prania asortymentu wrzuconego do bębna pralki może zostać automatycznie zaprogramowany i wykonany dzięki informacjom zamieszczonym w zaproponowanym tekstronicznym identyfikatorze RFID. Taka funkcja może spowodować, że wynalazek będzie posiadał największą grupę docelową użytkowników, czyli wszystkich ludzi noszących ubrania. Podobne przykłady automatycznego programowania urządzenia AGD mogą dotyczyć procesów pasowania ubrań, a także odkurzania, prania lub czyszczenia dywanów, tapicerek i innych wyrobów tekstylnych powszechnego użytku.

Kolejne korzyści aplikacji tekstronicznego identyfikatora RFID pojawiają się przy uwzględnieniu najnowszych osiągnięć wprowadzanych do techniki RFID. Na przykład implementacja rozwiązań pracujących w wielu pasmach częstotliwości pozwoli na pogodzenie oczekiwań zarówno producentów i dystrybutorów, jak i użytkowników wyrobów tekstronicznych RFIDtex. Ci pierwsi uzyskają np. większy zasięg działania zautomatyzowanego systemu za pomocą urządzeń RFID dalekiego zasięgu pasma UHF. Z kolei użytkownicy indywidualni mogą korzystać z inteligentnych funkcji za pomocą aplikacji zainstalowanej w urządzeniach mobilnych, np. smartfonach lub tabletach z funkcjami NFC (ang. Near Field Communication) dostępnymi tylko dla pasma HF. Przykładowo z poziomu telefonu komórkowego będzie można uzyskać dostęp do danych zapisanych w noszonej lub kupowanej odzieży.

Przy współczesnej ofercie rynkowej oraz możliwościach technologicznych, główną barierę wprowadzenia identyfikatorów RFID w branży tekstylnej stanowią koszty wdrożenia wzajemnie niekompatybilnych rozwiązań systemowych i koncepcji ich użytkowego wykorzystania. Obecnie koszty te muszą być rozpatrywane niezależnie dla każdego etapu cyklu życia produktu, ze względu na brak jednolitego rozwiązania, które będzie odpowiednie dla fazy produkcji, logistyki, użytkowania i utylizacji. Zaproponowana konstrukcja struktury tekstronicznej RFID wprawdzie nie wyeliminuje tych kosztów, lecz sprawi, że zaistnieje możliwość zaoferowania kompleksowej usługi rozciągniętej na cały okres cyklu życia wyrobu tekstylnego. To spowoduje, że wszelkie dodatkowe nakłady będą akceptowalne, gdyż radykalnie obniżą koszty operacyjne na każdym z wymienionych etapów. Przykładowo znakowanie odzieży specjalnej zostanie rozpoczęte w fazie produkcji z myślą o usprawnieniu procesów przemysłowych i kontroli jakości, gdzie identyfikatory będą dostosowane do dalszego funkcjonowania wyrobu w warunkach narażeń na chemikalia, wysoką temperaturę itp., a następnie będą mogły być wykorzystane w zautomatyzowanych procesach np. usługi prania, reklamacji, autoryzacji, określenia stopnia trwałości i zużycia, zabezpieczenia przed kradzieżą, a nawet utylizacji. Wobec tego, zastąpienie dotychczas wykorzystywanego identyfikatora RFID strukturą tekstroniczną, która będzie opracowana z myślą o jej całkowitej integracji z produktem oraz jego cyklem życia, pozwoli na zaoferowanie kompleksowej usługi dla wymienionych podmiotów, co niewątpliwie wpłynie na efektywność funkcjonowania łańcuchów dostaw, obniżenie kosztów produkcji (poprzez oszczędności wynikające z usprawnionej kontroli jakości) oraz dystrybucji (wykorzystanie identyfikatora z pełną informacją o wyrobie wpisaną na etapie produkcyjnym).

ISTOTA WYNALAZKU

Tekstroniczny identyfikator RFID (2) jest strukturą tekstroniczną definiowaną jako materiał włókienniczy (3) trwale połączony z komponentami elektrycznymi (4, 5, 6) i/lub elektronicznymi (7), (Rys. 1). Pod względem funkcjonalnym jest to elektroniczny identyfikator RFID, zaprojektowany do integracji z wyrobem tekstylnym za pomocą technologii, które są wykorzystywane w branży tekstylnej (np. szycie, haftowanie, klejenie, prasowanie). W tym kontekście wyrobem tekstronicznym z interfejsem RFID (1 – wyrób tekstroniczny RFIDtex) jest produkt branży tekstylnej, z którym w sposób trwały jest zintegrowany tekstroniczny identyfikator RFID (2).

W zastrzeżonej konstrukcji tekstronicznego identyfikatora RFID (2) wyodrębniono galwanicznie rozdzielone części: moduł szytej/haftowanej anteny (8) oraz moduł mikroelektroniczny (9). Moduł antenowy jest przeznaczony do przemysłowej realizacji za pomocą technologii znanych w branży tekstylnej. Drugi moduł przygotowany w postaci półproduktu np. guzika, naszywki lub wszywki, może być równie łatwo łączony z pierwszym na tych samych liniach technologicznych.

W klasycznej konstrukcji identyfikatora chip RFID (7) jest podłączany do zacisków anteny. W proponowanej koncepcji układu antenowego (10), antena (4) i jej zaciski (11) są galwanicznie rozdzielone pomiędzy osobno i odmiennie produkowane moduły (8, 9), które oddziałują na siebie z wykorzystaniem sprzężenia indukcyjnego. Takie działanie jest realizowane za pomocą układu sprzęgu anteny (5) i chipu (6). Pierwszy układ (5) jest ulokowany w module anteny (8), a drugi (6) w module mikroelektronicznym (9).

Moduł anteny (8) może przyjmować różne kształty dostosowane do rodzaju i funkcji wyrobu tekstylnego (Rys. 2) – na przykład może to być element ozdobny (23) zintegrowany poprzez wyszycie/wyhaftowanie nićmi przewodzącymi, może być ukryty w wewnętrznych warstwach wyrobu (22), w metce (24) albo dołączony w postaci niezależnych struktur przewodzących. Moduł mikroelektroniczny (9) natomiast składa się z chipu RFID (7) i połączonego z nim układu sprzęgu (6), wykonanego w postaci planarnej/wielowarstwowej struktury mikropaskowej, przeznaczonego do bezprzewodowej transmisji energii i danych z/do modułu anteny (8). Ponieważ jest on półproduktem, to może być wykonany (np. w postaci guzika (25), emblematu, naszywki/wszywki (26) lub innych konstrukcji pożądanych w przemyśle tekstylnym) przez dostawców spoza branży, w technologii, która zapewnia jego odporność na trudne warunki środowiskowe panujące w cyklu życia wyrobu (Rys. 3).

W wynalazku przewiduje się zastosowanie nietypowych konstrukcji występujących w technice RFID, na przykład materiałów magnetycznych, diamagnetycznych lub ferromagnetycznych (29), które będą stanowiły rdzeń układu sprzęgu (6) zapewniający zwiększenie indukcyjności wzajemnej, czy też dualnego chipu RFID HF + UHF, który może być połączony zarówno z dwoma niezależnymi antenami (4) dla pasma HF (27) i UHF (28), jak i ze zintegrowaną strukturą funkcjonalnie im odpowiadającą.

Wyposażenie wyrobów RFIDtex (1) w strukturę tekstroniczną z interfejsem RFID (2) pozwala na realizację procesów automatycznej identyfikacji obiektów (32), na każdym etapie ich cyklu życia (31) - Rys. 3, tj. produkcji i kontroli jakości (33), dystrybucji (34), eksploatacji i serwisu (35), utylizacji (36). W konsekwencji w systemie RFID może być udostępniony zarówno numer identyfikacyjny i podstawowe informacje o wyrobie RFIDtex (1) jak i dodatkowe informacje na przykład o sposobie użytkowania pozyskane z wbudowanych czujników zasilanych energią środowiskową.

POTENCJAŁ KOMERCJALIZACYJNY WYNALAZKU

Potencjał komercjalizacyjny tekstronicznego identyfikatora RFID wpisuje się w ogólny rozwój inteligentnych tekstyliów (ang. smart textiles), z wyodrębnioną grupą materiałów łączonych z elektroniką (ang. e-textiles), dla których w przyszłości przewidywane jest ich powszechne wykorzystanie w sieci Internetu rzeczy IoT, w szczególności w odniesieniu do branży tekstylnej IoT2 (ang. Internet of Textile Things).

Istotę koncepcji stanowi założenie jednoczesnej produkcji oraz integracji wyrobu tekstylnego i tekstronicznego identyfikatora RFID za pomocą procesów technologicznych stosowanych w branży tekstylnej. Pozwala to na uwzględnienie w fazie projektowej wszystkich uwarunkowań (np. technicznych, ekonomicznych, użytkowych) działania systemu automatycznej identyfikacji w kolejnych etapach cyklu życia wyrobu, a także potrzeb poszczególnych grup odbiorców. Takie podejście gwarantuje rozpowszechnienie wynalazku, dla którego już są obserwowane liczne obszary praktycznego zastosowania (Rys. 4).