РОЛА, Мо. — Електронни компоненти, които могат да бъдат удължени, усукани или разтегнати—известна като "разтеглива" електроника—скоро може да захранва всичко - от медицински носими до ин-системи на превозни средства. И изследователи от Университета за наука и технологии в Мисури са пионери в производствения подход, който най-накрая може да доведе тази технология до мейнстрийма.

Писане в изданието на списанието от януари 2017 г Микромашини, Мисури С&T изследователски екип, ръководен от д-р Heng Pan, асистент професор по механично и аерокосмическо инженерство, оцени текущото състояние на разтегливата електроника и предложи решение на едно от най-упоритите предизвикателства в областта: фундаменталното несъответствие между гъвкави повърхности и твърди електронни проводници.

Твърдият-Flex Challenge

В основата на разтегливата електроника е субстратът—обикновено еластомер, полимер с висока еластичност, който може да се огъва, разтяга, извива и усуква многократно с малко влияние върху неговата работа. Въпреки това, електронните проводници, които трябва да бъдат изградени или вградени в тази гъвкава повърхност, често са крехки и твърди.

„Предложени са уникални дизайни и механика на разтягане, за да се хармонизират несъответствията и да се интегрират материали с много различни свойства като една уникална система“, пише изследователският екип

Директен аерозолен печат: нов подход

За да се преодолее този твърд-гъвкава бариера, Пан и колегите му се насочиха към адитивното производство—процес, който изгражда три-обемни обекти слой по слой, подобно на 3D печат, но използвайки метали, керамика или други функционални материали.

В Мисури С&T, те тестват специфичен подход, който Pan нарича „директен аерозолен печат“. Процесът включва пръскане на проводим материал и интегрирането му с разтеглив субстрат.

„С развитието на адитивното производство техниките за директно писане се появяват като алтернатива на традиционните методи за субтрактивно моделиране“, обясниха изследователите. Традиционните субтрактивни подходи включват фотолитография, която обикновено се използва за производство на полупроводници.

Пан и неговият екип вярват, че адитивното производство предлага по-икономичен път за създаване на тези нови устройства. „Директният печат, като адитивен метод за производство, би удовлетворил тези изисквания и би предложил ниска цена и висока скорост както при прототипирането, така и при производството“, пишат те. „Това може да е решение за разходите-ефективно и мащабируемо производство на разтеглива електроника".

Прототип, който се задържа

Екипът вече е създал работещ прототип на разтегливо електронно устройство, което може да се придържа към лицето. „Най-голямото предимство на тази електроника е, че те могат да бъдат напълно носени и могат напълно да се оформят при всякакъв вид движение“, каза Пан Р&Списание D. „Те могат да бъдат монтирани на лицето например и могат да открият всяко малко движение от лицето ви“.

Потенциалните приложения се простират далеч отвъд сензорите за лице. Тези разтегливи проводници биха могли един ден да заменят твърдите, крехки платки, които захранват днешните електронни устройства. Те могат да се използват като носими сензори, които се придържат към кожата, за да наблюдават сърдечната честота или мозъчната дейност, като сензори, вградени в дрехите, или дори като тънки слънчеви панели, които могат да бъдат залепени върху извити повърхности.

„Виждаме много ползи. Смятаме, че това може да бъде бъдещето на електронното развитие“, каза Пан.

Предстоящи предизвикателства

Въпреки обещанието, остават значителни препятствия преди разтегливата електроника да стане широко възприета. Всички материали, необходими за всяко устройство, трябва да могат да се печатат, което изисква разработването на мастила и материали за печат с всички необходими свойства за всяка електронна функция.

„Съществуват и предизвикателства, свързани с интеграцията, като различни температурни изисквания сред различните материали“, отбеляза Пан. Един от най-големите текущи фокуси на екипа е разработването на ефективен, дълъг-издръжлива разтеглива батерия. „Енергийното устройство е много критичен компонент, за да бъде това реалистично“, каза Пан. „Работим интензивно върху батерията“.

Изследователите също така подчертават необходимостта да се гарантира, че разтегливата електроника и ковките повърхности, върху които са изградени, работят и остаряват добре заедно.

Гъвкаво бъдеще

Въпреки тези предизвикателства, Пан остава оптимист. „Допълнителното производство има предимството, че може лесно да преминава от един материал към друг и да интегрира всички различни материали заедно в един печат“, каза той. „Вярваме, че адитивната техника има много силно предимство при създаването на електроника“.

Веднъж усъвършенствана, технологията ще трябва да бъде увеличена за комерсиално производство—процес, който 3D принтирането рационализира по същество. В крайна сметка екипът предвижда устройства, които не само са ниски-разходи за създаване, но и биоразградими.

„Има много потенциал за това, свързан с човека-компютърно взаимодействие", каза Пан.

Изследването е публикувано в Микромашини (2017, 8(1), 7) под заглавие „Материали, механика и техники за моделиране на еластомер-Базирани разтегливи проводници".