Travaux sur le NFC

Les travaux sur le Near Field Communication (NFC) ont débuté en janvier 2018 avec la thèse de doctorat de GARNIER Baptiste financée par le projet ANR Context.

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La genèse du projet vient du constat que l’implémentation des textiles par de l’électronique (capteur, actionneur etc…) pour en faire des e-textile permet de réaliser des prototypes fonctionnels. Cependant, les exemples sur le marché sont rares à cause des problèmes liés à l’alimentation électrique : fiabilité des connectiques dans le cas des alimentations démontables et durée de vies des batteries non démontables.

Un des principaux points de faiblesse vient des liaisons (souvent filaires) existantes entre les éléments électroniques. D’une part, lors de la réalisation du vêtement (confection par exemple), leur mise en place complexifie les process et d’autre part lors de l’usage des vêtements, les lavages, repassages etc…fragilisent ces connectiques qui finissent par casser et rendre le e-textile inopérant. Ainsi, se passer, tout ou en partie, de ces connectiques faciliterait la conception et augmenterait la durée de vie des e-textiles.

Ainsi, le but global du projet est de développer des textiles communicants embarquant des technologies radiofréquences (RF) et de l’électronique pour de la communication on body (Wireless

Body Area Networks (WBAN)). Une des applications visée est, par exemple, de se servir du

smartphone pour alimenter et gérer un réseau de capteurs pour le monitoring ECG, sans fil, répartis dans des sous-vêtements.

Le projet CONTEXT contient deux volets, un premier focalisé sur le NFC, orienté alimentation, et un second focalisé sur l’Industrial, Scientific, and Medical band (ISM), orienté données. Les équipes de l’IEMN, du LEAT et de l’ENSAIT apporteront leurs compétences sur ces deux thèmes liés mais l’ENSAIT est responsable de la partie NFC. Concernant la gestion de l’alimentation, le projet vise à utiliser principalement, le smartphone, positionné dans une poche, en tant que source d’énergie sans contact.

Le plan de travail prévu consiste, dans un premier temps, à remplacer l’antenne d’un module NFC existant (X-Nucleo-NFC04A1, STMicroelectronics8) par des antennes textiles réalisées par broderie ou techniques apparentées qui ont montré des résultats encourageants [169]. Ainsi nous pourrons nous concentrer sur le sourcing de fils textiles conducteurs à broder, les paramètres de broderie et investiguer les effets de ces 2 paramètres sur les performances du système. En parallèle, l’utilisation d’outils de simulation simple devrait nous permettre d’ajuster le dessin de l’antenne (nombre, écartement et diamètre des spires notamment) en fonction des propriétés électriques et électromagnétiques des matériaux textiles mis en œuvre et ainsi obtenir la réponse fréquentielle souhaitée et adapter les impédances des éléments (antennes et circuits complémentaires). Dans une deuxième phase, l’accent sera mis sur la réalisation directe d’antennes lors de la fabrication des textiles par des techniques de tricotage par exemple. Le but est de limiter les étapes d’implémentation mais aussi de réaliser des structures 3D autour du corps. Sur ce dernier point, des équipes ont obtenu des résultats encourageants avec un système de transmission autour du bras [170]. Bien sûr, compte tenu de la nature et de l’usage final du système, nous mènerons une étude sur la déformation des antennes textiles et de l’impact sur les liaisons RF.

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4.4 Conclusion

Les travaux conjoints avec l’IEMN sur les métamatériaux ont montré que des propriétés électromagnétiques intéressantes (réfraction négative, avance de phase…) étaient atteignables par des textiles. L’intérêt de ces structures réside, entre autres, dans les moyens de productions qui permettent d’envisager la réalisation rapide de motifs répétés sur de grandes surfaces. Le champ d’investigation est encore vaste et nous pourrions nous diriger à l’avenir vers des structures plus épaisses ou en 3D.

Le guidage d’onde et le NFC sont de bonnes alternatives à la connectique standard (filaire ou imprimée) pour des applications on body, mais ces technologies restent largement à investiguer pour arriver à maturité. Le projet ANR CONTEX, permettra à notre partenariat d’aller dans cette direction et de proposer à terme des solutions de communication sans fil plus fiables pour, par exemple, la mise en réseaux des capteurs.

Ces activités sur le développement de textiles pour le transfert d’énergie et de données ont été valorisées par 2 publications [16], [22], 3 conférences [73], [79], [80] et 4 communications par affiches [97], [101], [102], [104].

5 Synthèse

Les applications textiles, énergie et transfert de données vont se multiplier et s’enrichir avec l’électronique basse ou très basse consommation développée dans le cadre de l’IoT. Les travaux que nous avons menés sur la récupération d’énergie mécanique par des polymères piézoélectriques ont mis en évidence l’importance des structures textiles mises en œuvre pour, par exemple, avantageusement produire de l’énergie par compression. Les énergies produites sont faibles mais les matériaux et structures développées peuvent trouver d’autres applications dans le domaine des capteurs ou actionneurs mécaniques par exemple.

Dans le contexte de la récupération d’énergie électromagnétique pour un éclairage ambiant autonome, nous avons collaboré étroitement avec l’IEMN pour produire différents designs d’antennes qui sont en cours de caractérisation.

Enfin, des travaux plus amont avec l’IEMN sur les métamatériaux ont montré que des propriétés électromagnétiques intéressantes (réfraction négative, avance de phase…) étaient atteignables par des structures textiles tissées. Ces travaux ouvrent des champs d’investigations vastes dans le domaine de la manipulation des ondes électromagnétiques et nous pourrions nous diriger à l’avenir vers des structures plus épaisses, plus complexes et/ou en 3D.

Cette thématique met particulièrement en avant notre capacité à traiter un sujet très transversal aux entrées matériaux, structures, systèmes et électroniques.

Ces activités sur la conversion d’énergie et le transfert de données par les textiles ont été valorisées par 4 publications, 9 conférences et 4 communications par affiches.

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Cinquième partie – Travaux sur la fiabilisation, la durabilité et la

normalisation des systèmes textiles intelligents

1 Introduction

Ces dernières années, les textiles intelligents et les e-textiles ont gagné en maturité. Les concepts sont prouvés, des prototypes et des démonstrateurs existent et sont présents dans les laboratoires, et les start-ups, ils sont visibles dans les salons ou sur internet. Seuls quelques produits, en petite série, sont disponibles sur le marché mais avec des fonctionnalités basiques et/ou une intégration textile limitée9. Un des principaux freins à l’accès aux marchés plus importants vient du décalage existant entre l’usage quotidien des textiles, notamment le lavage, et l’usage actuel possible de l’électronique, des connectiques et des batteries intégrées aux e-textiles. Par exemple, un T-shirt a une durée de vie moyenne d’une cinquantaine de lavage [171] bien loin de ce que peuvent supporter des composants électroniques standards.

Dans les e-textiles, les parties les moins textiles (électronique de contrôle, certains capteurs, batteries…) sont soit très encapsulées soit amovibles pour tenter de supporter ou d’éviter le lavage. Les parties les plus textiles (interconnexion, électrodes, antennes, certains capteurs…) ne sont pas lavables, supportent au mieux quelques lavages (une dizaine maximum9) et/ou deviennent des produits « consommables » (cas des ceintures pour la mesure de fréquence cardiaque pour le sport). Ainsi, il est important de travailler sur la fiabilisation des e-textiles et le projet avec la société @Health, portant sur la conception d’une brassière pour le monitoring cardiaque, fournit un cadre parfait. Cependant, nous avons fait rapidement le constat que l’effet des lavages domestiques sur les e-textiles (et notamment les interconnexions) n’avait jamais été investigué en détail. A l’issu du lavage, des détériorations sont constatées mais leurs origines ne sont pas ou sont mal connues. Ainsi la deuxième partie de ce thème de recherche expliquera les travaux amorcés dans le but de comprendre l’influence du lavage sur les interconnexions et comment nous travaillons à la proposition de tests pour évaluer la fiabilité de composants e-textiles.

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