ROLLA, Mo. — Elektronické součástky, které lze prodloužit, zkroutitnebonatáhnout—známá jako „roztažitelná“ elektronika—mohl brzynapájet vše od lékařskýchnositelných zařízení až po in-systémy vozidel. A výzkumníci z Missouri University of Science and Technology jsou průkopníky výrobního přístupu, který může tuto technologii konečně přinést do hlavního proudu.

Psaní v lednovém vydání časopisu 2017 Mikrostroje, Missouri S&Výzkumný tým T, vedený Dr. Heng Panem, odborným asistentem mechanického a leteckého inženýrství, zhodnotil současný stav roztažitelné elektroniky anavrhl řešení jednoho znejtrvalejších problémů v oboru: zásadnínesoulad mezi pružnými povrchy a pevnými elektronickými vodiči..

Tuhá-Flex Challenge

Srdcem roztažné elektroniky je substrát—typicky elastomer, polymer s vysokou elasticitou, který lze opakovaně ohýbat,natahovat, vybočovat a kroutit s malým dopademna jeho výkon. Elektronické vodiče, které musí být zabudoványnebo zapuštěny do tohoto flexibilního povrchu, jsou však často křehké a tuhé.

"Bylynavrženy jedinečnénávrhy a mechanika protahování, aby harmonizovalynesoulad a integrovaly materiály s velmi odlišnými vlastnostmi jako jeden jedinečný systém,"napsal výzkumný tým.

Přímý aerosolový tisk: Nový přístup

K překonání této rigidity-flex bariéra se Pan a jeho kolegové obrátilina aditivní výrobu—proces, který staví tři-rozměrné objekty vrstvu po vrstvě, podobně jako 3D tisk, ale využívající kovy, keramikunebo jiné funkční materiály.

V Missouri S&T, testují specifický přístup, který Pannazývá „přímý aerosolový tisk“. Proces zahrnujenástřik vodivého materiálu a jeho integraci s roztažitelným substrátem.

"S rozvojem aditivní výroby se techniky přímého psaní ukazují jako alternativa k tradičním metodám subtraktivního vzorování," vysvětlili vědci.. Mezi tradiční subtraktivní přístupy patří fotolitografie, která se běžně používá k výrobě polovodičů.

Pan a jeho tým věří, že aditivní výrobanabízí ekonomičtější cestu k vytvoření těchtonových zařízení. „Přímý tisk jako aditivní výrobní metoda by takové požadavky uspokojila anabídlanízkénáklady a vysokou rychlost při prototypování i výrobě,“napsali. „Mohlo by to být řešení z hlediskanákladů-efektivní a škálovatelná výroba roztažitelné elektroniky".

Prototyp, který drží

Tým již vytvořil funkční prototyp roztažitelného elektronického zařízení, které dokáže přilnout k obličeji. "Největší výhodou této elektroniky je to, že je lze zcelanosit a mohou se zcela tvarovat pro jakýkoli druh pohybu," řekl Pan. R&časopis D. "Dají senamontovatnapříkladna obličej a mohou detekovat jakýkoli malý pohyb z vašeho obličeje.".

Potenciální aplikace sahají daleko za hranice obličejových senzorů. Tyto roztažitelné vodiče by jednoho dne mohlynahradit tuhé, křehké obvodové desky, kterénapájejí dnešní elektronická zařízení. Mohly by být použity jakonositelné senzory, které přilnou k pokožce pro sledování srdeční frekvencenebo mozkové aktivity, jako senzory zabudované v oblečenínebo dokonce jako tenké solární panely, které by mohly býtnalepenyna zakřivené povrchy..

"Vidíme mnoho výhod. Myslíme si, že to může být budoucnost elektronického vývoje," řekl Pan.

Výzvy přednámi

Navzdory příslibu přetrvávají značné překážky,než se roztažitelná elektronika široce zavede. Všechny materiály potřebné pro každé zařízení musí být potisknutelné, což vyžaduje vývoj inkoustů a potisknutelných materiálů se všeminezbytnými vlastnostmi pro každou elektronickou funkci.

"Existují také problémy s integrací, jako jsou různé požadavkyna teplotu mezi různými materiály," poznamenal Pan. Jedním znejvětších současných zaměření týmu je vývoj efektivní, dlouhé-trvanlivá roztažitelná baterie. "Energetické zařízení je velmi kritická součást, aby to bylo realistické," řekl Pan. "Intenzivně pracujemena baterii".

Výzkumníci také zdůrazňují potřebu zajistit, aby roztažitelná elektronika a tvárné povrchy,na kterých jsou postaveny, dobře fungovaly a stárly společně..

Flexibilní budoucnost

Navzdory těmto výzvám zůstává Pan optimistou. „Výhoda aditivní výroby spočívá v tom, že se může snadno měnit z jednoho materiáluna druhý a integrovat všechny různé materiály dohromady do jednoho tisku,“ řekl.. "Věříme, že aditivní technika má velmi silnou výhodu při vytváření elektroniky".

Jakmile bude technologie zdokonalena, budenutné ji rozšířit pro komerční výrobu—proces, který 3D tisk ze své podstaty zefektivňuje. Nakonec si tým představuje zařízení, která jsounejennízká-nákladyna vytvoření, ale také biologicky rozložitelné.

„V souvislosti s člověkem je v tom velký potenciál-interakce s počítačem,“ řekl Pan.

Výzkum byl zveřejněn v Mikrostroje (2017, 8(1), 7) podnázvem „Materiály, mechanika a techniky vzorování pro elastomer-Roztažitelné vodičena bázi".