ROLLA, Mo. — Elektroniske komponenter, der kan forlænges, snoes eller strækkes—kendt som "strækbar" elektronik—kunne snart drive alt fra medicinske wearables til ind-køretøjssystemer. Og forskere ved Missouri University of Science and Technology er banebrydende for en fremstillingstilgang, der endelig kan bringe denne teknologi til mainstream.

Skriver i januar 2017-udgaven af tidsskriftet Mikromaskiner, Missouri S&T-forskerteamet, ledet af Dr. Heng Pan, assisterende professor i maskin- og rumfartsteknik, vurderede dennuværende tilstand af strækbar elektronik og foreslog en løsning på en af feltets mest vedvarende udfordringer: det grundlæggende misforhold mellem fleksible overflader og stive elektroniske ledere.

Den stive-Flex udfordring

I hjertet af strækbar elektronik er substratet—typisk en elastomer, en polymer med høj elasticitet, der kan bøjes, strækkes, spændes og vrides gentagne gange med ringe indflydelse på dens ydeevne. Imidlertid er de elektroniske ledere, der skal bygges på eller indlejret i denne fleksible overflade, ofte sprøde og stive.

"Unikke design og strækmekanik er blevet foreslået for at harmonisere uoverensstemmelserne og integrere materialer med vidt forskellige egenskaber som et unikt system," skrev forskerholdet

Direkte aerosoludskrivning: Enny tilgang

For at overvinde denne stive-flex barriere, vendte Pan og hans kolleger sig til additiv fremstilling—en proces, der bygger tre-dimensionelle objekter lag for lag, svarende til 3D-print, men ved hjælp af metaller, keramik eller andre funktionelle materialer.

I Missouri S&T, de tester en specifik tilgang Pan kalder "direkte aerosoludskrivning". Processen involverer at sprøjte et ledende materiale og integrere det med et strækbart substrat.

"Med udviklingen af additiv fremstilling dukker direkte skriveteknikker op som et alternativ til de traditionelle subtraktive mønstermetoder," forklarede forskerne. Traditionelle subtraktive tilgange omfatter fotolitografi, som almindeligvis bruges til fremstilling af halvledere.

Pan og hans team mener, at additiv fremstilling giver en mere økonomisk vej til at skabe dissenye enheder. "Direkte udskrivning, som en additiv fremstillingsmetode, ville opfylde sådanne krav og tilbyde lave omkostninger og høj hastighed i både prototyping og fremstilling," skrev de. "Det kan være en løsning for omkostningerne-effektiv og skalerbar fremstilling af strækbar elektronik".

En prototype, der klæber

Holdet har allerede skabt en fungerende prototype af en strækbar elektronisk enhed, der kan klæbe til ansigtet. "Den største fordel ved denne elektronik er, at de kan være fuldstændigt bærbare, og de kan fuldstændig danne sig til enhver form for bevægelse," fortalte Pan R&D Magasinet. "De kan f.eks. monteres på ansigtet og kan registrere enhver lille bevægelse fra dit ansigt".

Potentielle anvendelser strækker sig langt ud over ansigtssensorer. Disse strækbare ledere kunne en dag erstatte de stive, sprøde printkort, der drivernutidens elektroniske enheder. De kan bruges som bærbare sensorer, der klæber til huden for at overvåge puls eller hjerneaktivitet, som sensorer indlejret i tøj eller endda som tynde solpaneler, der kan pudses på buede overflader.

"Vi ser en masse fordele. Vi tror, at dette kan være fremtiden for elektronisk udvikling," sagde Pan.

Udfordringer forude

På trods af løftet er der stadig betydelige forhindringer, før strækbar elektronik bliver bredt udbredt. Allenødvendige materialer til hver enhed skal kunne udskrives, hvilket kræver udvikling af blæk og printbare materialer med alle denødvendige egenskaber for hver elektronisk funktion.

"Der er også integrationsudfordringer, såsom varierende temperaturkrav blandt forskellige materialer," bemærkede Pan. Et af holdets størstenuværende fokus er at udvikle en effektiv, lang-holdbart strækbart batteri. "Energienheden er en meget kritisk komponent, for at dette kan være realistisk," sagde Pan. "Vi arbejder intenst på batteriet".

Forskerne understreger også behovet for at sikre, at strækbar elektronik og de formbare overflader, de er bygget på, fungerer og ældes godt sammen.

En fleksibel fremtid

På trods af disse udfordringer er Pan fortsat optimistisk. "Additiv fremstilling har den fordel, at dennemt kan skifte fra det ene materiale til det andet og integrere alle de forskellige materialer sammen i et tryk," sagde han. "Vi mener, at additivteknikken har en meget stærk fordel i skabelsen af elektronik".

Når den er perfektioneret, skal teknologien skaleres op til kommerciel produktion—en proces, som 3D-print i sagensnatur strømliner. I sidste ende forestiller teamet sig enheder, der ikke kun er lave-omkostninger at skabe, men også biologisknedbrydelige.

"Der er et stort potentiale i dette relateret til mennesker-computerinteraktion," sagde Pan.

Forskningen blev offentliggjort i Mikromaskiner (2017, 8(1), 7) under titlen "Materials, Mechanics, and Patterning Techniques for Elastomer-Baserede strækbare ledere".