رولا، مو. — المكونات الإلكترونية التي يمكن تطويلها أو لفها أو تمديدها—تُعرف بالإلكترونيات "القابلة للتمدد".—يمكن قريبًا تشغيل كل شيء بدءًا من الأجهزة الطبية القابلة للارتداء وحتى الأجهزة الداخلية-أنظمة المركبات. ويقود الباحثون في جامعة ميسوري للعلوم والتكنولوجيا نهجًا تصنيعيًا قد يؤدي أخيرًا إلى تعميم هذه التكنولوجيا.

الكتابة في طبعة يناير 2017 من المجلة الآلات الدقيقة، ميسوري س&قام فريق البحث T، بقيادة الدكتور هينج بان، الأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية وهندسة الفضاء الجوي، بتقييم الوضع الحالي للإلكترونيات القابلة للتمدد واقترح حلاً لواحد من التحديات الأكثر إلحاحًا في هذا المجال: عدم التطابق الأساسي بين الأسطح المرنة والموصلات الإلكترونية الصلبة.

الجامدة-تحدي فليكس

في قلب الإلكترونيات القابلة للتمدد توجد الركيزة—عادة ما يكون المطاط الصناعي، وهو بوليمر ذو مرونة عالية يمكن ثنيه وتمديده وربطه ولفه بشكل متكرر دون تأثير يذكر على أدائه. ومع ذلك، فإن الموصلات الإلكترونية التي يجب بناؤها أو دمجها في هذا السطح المرن غالبًا ما تكون هشة وصلبة.

وكتب فريق البحث: "تم اقتراح تصميمات فريدة وآليات تمدد لتنسيق عدم التطابق ودمج المواد ذات الخصائص المختلفة على نطاق واسع كنظام واحد فريد".

الطباعة المباشرة للهباء الجوي: نهج جديد

للتغلب على هذا جامدة-الحاجز المرن، تحول بان وزملاؤه إلى التصنيع الإضافي—عملية تبني ثلاثة-كائنات ذات أبعاد طبقة بعد طبقة، على غرار الطباعة ثلاثية الأبعاد ولكن باستخدام المعادن أو السيراميك أو غيرها من المواد الوظيفية.

في ميسوري س&إنهم يختبرون أسلوبًا محددًا يسميه بان "الطباعة المباشرة للهباء الجوي". تتضمن العملية رش مادة موصلة ودمجها مع ركيزة قابلة للتمدد.

وأوضح الباحثون أنه "مع تطور التصنيع الإضافي، تظهر تقنيات الكتابة المباشرة كبديل لأساليب الزخرفة الطرحية التقليدية".. تشمل الأساليب الطرحية التقليدية الطباعة الحجرية الضوئية، والتي تستخدم عادة لتصنيع أشباه الموصلات.

يعتقد بان وفريقه أن التصنيع الإضافي يوفر مسارًا أكثر اقتصادًا لإنشاء هذه الأجهزة الجديدة. وكتبوا: "إن الطباعة المباشرة، باعتبارها طريقة تصنيع مضافة، من شأنها أن تلبي هذه المتطلبات وتوفر تكلفة منخفضة وسرعة عالية في كل من النماذج الأولية والتصنيع". "قد يكون هذا حلاً للتكلفة-تصنيع فعال وقابل للتطوير للإلكترونيات القابلة للتمدد".

نموذج أولي يلتصق

لقد أنشأ الفريق بالفعل نموذجًا أوليًا عمليًا لجهاز إلكتروني مطاطي يمكنه الالتصاق بالوجه. وقال بان: "إن أكبر فائدة لهذه الإلكترونيات هي أنها يمكن ارتداؤها بالكامل، ويمكنها أن تتشكل بالكامل لأي نوع من الحركة". ر&مجلة د. "يمكن تركيبها على الوجه، على سبيل المثال، ويمكنها اكتشاف أي حركة صغيرة من وجهك".

تمتد التطبيقات المحتملة إلى ما هو أبعد من أجهزة استشعار الوجه. يمكن لهذه الموصلات القابلة للتمدد أن تحل في يوم من الأيام محل لوحات الدوائر الصلبة والهشة التي تشغل الأجهزة الإلكترونية الحالية. ويمكن استخدامها كأجهزة استشعار يمكن ارتداؤها تلتصق بالجلد لمراقبة معدل ضربات القلب أو نشاط الدماغ، أو كأجهزة استشعار مدمجة في الملابس، أو حتى كألواح شمسية رقيقة يمكن لصقها على الأسطح المنحنية..

وقال بان "إننا نرى الكثير من الفوائد. ونعتقد أن هذا يمكن أن يكون مستقبل التطوير الإلكتروني"..

التحديات المقبلة

على الرغم من الوعد، لا تزال هناك عقبات كبيرة قبل أن يتم اعتماد الإلكترونيات القابلة للتمدد على نطاق واسع. يجب أن تكون جميع المواد اللازمة لكل جهاز قابلة للطباعة، مما يتطلب تطوير الأحبار والمواد القابلة للطباعة مع كافة الخصائص اللازمة لكل وظيفة إلكترونية.

وأشار بان إلى أن "هناك أيضًا تحديات في التكامل، مثل اختلاف متطلبات درجة الحرارة بين المواد المختلفة".. أحد أكبر التركيزات الحالية للفريق هو تطوير خطة فعالة وطويلة-بطارية قابلة للتمدد تدوم طويلاً. وقال بان: "يعد جهاز الطاقة عنصرا بالغ الأهمية لكي يكون هذا الأمر واقعيا". "نحن نعمل بشكل مكثف على البطارية".

يؤكد الباحثون أيضًا على الحاجة إلى التأكد من أن الإلكترونيات القابلة للتمدد والأسطح المرنة المبنية عليها تعمل بشكل جيد وتتقادم معًا.

مستقبل مرن

وعلى الرغم من هذه التحديات، يظل بان متفائلا. وقال "إن التصنيع الإضافي له ميزة أنه يمكن بسهولة التغيير من مادة إلى أخرى ودمج جميع المواد المختلفة معًا في طبعة واحدة".. "نحن نؤمن بأن التقنية المضافة تتمتع بميزة قوية جدًا في صناعة الإلكترونيات".

وبمجرد إتقان هذه التكنولوجيا، سوف تحتاج إلى توسيع نطاقها من أجل الإنتاج التجاري—وهي عملية تعمل الطباعة ثلاثية الأبعاد على تبسيطها بطبيعتها. وفي نهاية المطاف، يتصور الفريق أجهزة ليست منخفضة المستوى فحسب-تكلفة الإنشاء ولكنها أيضًا قابلة للتحلل البيولوجي.

"هناك الكثير من الإمكانات المتعلقة بهذا الأمر بالنسبة للإنسان-قال بان: "التفاعل مع الكمبيوتر"..

وقد نشر البحث في الآلات الدقيقة (2017، 8(1)، 7) تحت عنوان "المواد والميكانيكا وتقنيات الزخرفة للمطاط الصناعي".-"الموصلات القابلة للتمدد".