ROLLA, Mo. — Ηλεκτρονικά εξαρτήματα που μπορούν να επιμηκυνθούν, να συστραφούν ή να τεντωθούν—γνωστά ως «εκτατά» ηλεκτρονικά—θα μπορούσε σύντομα να τροφοδοτήσει τα πάντα, από ιατρικά wearables μέχρι in-συστήματα οχημάτων. Και ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας του Μιζούρι πρωτοστατούν σε μια κατασκευαστική προσέγγιση που μπορεί τελικά να φέρει αυτή την τεχνολογία στην επικρατούσα τάση.

Γράφοντας στην έκδοση Ιανουαρίου 2017 του περιοδικού Μικρομηχανές, το Missouri S&Η ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τον Δρ. Heng Pan, επίκουρο καθηγητή μηχανολογίας και αεροδιαστημικής μηχανικής, αξιολόγησε την τρέχουσα κατάσταση των ελαστικών ηλεκτρονικών και πρότεινε μια λύση σε μια από τις πιο επίμονες προκλήσεις του πεδίου: τη θεμελιώδη αναντιστοιχία μεταξύ εύκαμπτων επιφανειών και άκαμπτων ηλεκτρονικών αγωγών.

Το άκαμπτο-Flex Challenge

Στην καρδιά των ελαστικών ηλεκτρονικών είναι το υπόστρωμα—τυπικά ένα ελαστομερές, ένα πολυμερές με υψηλή ελαστικότητα που μπορεί να λυγίσει, να τεντωθεί, να λυγίσει και να συστραφεί επανειλημμένα με μικρή επίδραση στην απόδοσή του. Ωστόσο, οι ηλεκτρονικοί αγωγοί που πρέπει να ενσωματωθούν ή να ενσωματωθούν σε αυτήν την εύκαμπτη επιφάνεια είναι συχνά εύθραυστοι και άκαμπτοι.

«Έχουν προταθεί μοναδικά σχέδια και μηχανικές τεντώματος για την εναρμόνιση των αναντιστοιχιών και την ενσωμάτωση υλικών με πολύ διαφορετικές ιδιότητες ως ένα μοναδικό σύστημα», έγραψε η ερευνητική ομάδα.

Απευθείας εκτύπωση με αεροζόλ: Μια νέα προσέγγιση

Για να ξεπεραστεί αυτό το άκαμπτο-flex barrier, ο Pan και οι συνεργάτες του στράφηκαν στην κατασκευή προσθέτων—μια διαδικασία που χτίζει τρία-διαστάσεων αντικείμενα στρώμα-στρώμα, παρόμοια με την τρισδιάστατη εκτύπωση αλλά χρησιμοποιώντας μέταλλα, κεραμικά ή άλλα λειτουργικά υλικά.

Στο Missouri S&T, δοκιμάζουν μια συγκεκριμένη προσέγγιση που ο Pan αποκαλεί "απευθείας εκτύπωση αερολύματος". Η διαδικασία περιλαμβάνει τον ψεκασμό ενός αγώγιμου υλικού και την ενσωμάτωσή του με ένα ελαστικό υπόστρωμα.

«Με την ανάπτυξη της κατασκευής προσθέτων, οι τεχνικές άμεσης γραφής εμφανίζονται ως εναλλακτική λύση στις παραδοσιακές μεθόδους αφαιρετικού σχεδίου», εξήγησαν οι ερευνητές.. Οι παραδοσιακές αφαιρετικές προσεγγίσεις περιλαμβάνουν τη φωτολιθογραφία, η οποία χρησιμοποιείται συνήθως για την κατασκευή ημιαγωγών.

Ο Pan και η ομάδα του πιστεύουν ότι η κατασκευή προσθέτων προσφέρει έναν πιο οικονομικό δρόμο για τη δημιουργία αυτών των νέων συσκευών. «Η απευθείας εκτύπωση, ως μέθοδος κατασκευής πρόσθετων, θα ικανοποιούσε τέτοιες απαιτήσεις και θα προσφέρει χαμηλό κόστος και υψηλή ταχύτητα τόσο στην κατασκευή πρωτοτύπων όσο και στην κατασκευή», έγραψαν. «Μπορεί να είναι μια λύση για το κόστος-αποτελεσματική και κλιμακούμενη κατασκευή ελαστικών ηλεκτρονικών».

Ένα πρωτότυπο που κολλάει

Η ομάδα έχει ήδη δημιουργήσει ένα λειτουργικό πρωτότυπο μιας ελαστικής ηλεκτρονικής συσκευής που μπορεί να προσκολληθεί στο πρόσωπο. «Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα αυτών των ηλεκτρονικών ειδών είναι ότι μπορούν να φορεθούν πλήρως και μπορούν να διαμορφωθούν πλήρως σε κάθε είδους κίνηση», είπε ο Παν. R&Περιοδικό D. "Μπορούν να τοποθετηθούν στο πρόσωπο, για παράδειγμα, και θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν οποιαδήποτε μικρή κίνηση από το πρόσωπό σας".

Οι πιθανές εφαρμογές εκτείνονται πολύ πέρα ​​από τους αισθητήρες προσώπου. Αυτοί οι ελαστικοί αγωγοί θα μπορούσαν μια μέρα να αντικαταστήσουν τις άκαμπτες, εύθραυστες πλακέτες κυκλωμάτων που τροφοδοτούν τις σημερινές ηλεκτρονικές συσκευές. Θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως φορητοί αισθητήρες που προσκολλώνται στο δέρμα για να παρακολουθούν τον καρδιακό ρυθμό ή τη δραστηριότητα του εγκεφάλου, ως αισθητήρες ενσωματωμένοι σε ρούχα ή ακόμη και ως λεπτά ηλιακά πάνελ που θα μπορούσαν να επικολληθούν σε καμπύλες επιφάνειες.

"Βλέπουμε πολλά οφέλη. Πιστεύουμε ότι αυτό μπορεί να είναι το μέλλον της ηλεκτρονικής ανάπτυξης", είπε ο Παν.

Προκλήσεις Μπροστά

Παρά την υπόσχεση, παραμένουν σημαντικά εμπόδια προτού υιοθετηθούν ευρέως τα ελαστικά ηλεκτρονικά. Όλα τα υλικά που χρειάζονται για κάθε συσκευή πρέπει να είναι εκτυπώσιμα, απαιτώντας την ανάπτυξη μελανιών και εκτυπώσιμων υλικών με όλες τις απαραίτητες ιδιότητες για κάθε ηλεκτρονική λειτουργία.

«Υπάρχουν επίσης προκλήσεις ενσωμάτωσης, όπως οι διαφορετικές απαιτήσεις θερμοκρασίας μεταξύ διαφορετικών υλικών», σημείωσε ο Παν. Μία από τις μεγαλύτερες τρέχουσες επικεντρώσεις της ομάδας είναι η ανάπτυξη ενός αποτελεσματικού, μακροχρόνιου-ελαστική μπαταρία που διαρκεί. "Η ενεργειακή συσκευή είναι ένα πολύ κρίσιμο στοιχείο προκειμένου αυτό να είναι ρεαλιστικό", είπε ο Παν. «Δουλεύουμε εντατικά με την μπαταρία».

Οι ερευνητές τονίζουν επίσης την ανάγκη να διασφαλιστεί ότι τα ελαστικά ηλεκτρονικά και οι ελατές επιφάνειες πάνω στις οποίες είναι χτισμένες έχουν καλή απόδοση και γήρανση μαζί.

Ένα Ευέλικτο Μέλλον

Παρά τις προκλήσεις αυτές, ο Παν παραμένει αισιόδοξος. «Η παραγωγή προσθέτων έχει το πλεονέκτημα ότι μπορεί εύκολα να αλλάξει από το ένα υλικό στο άλλο και να ενσωματώσει όλα τα διαφορετικά υλικά μαζί σε μια εκτύπωση», είπε.. "Πιστεύουμε ότι η τεχνική των προσθέτων έχει ένα πολύ ισχυρό πλεονέκτημα στη δημιουργία ηλεκτρονικών ειδών".

Μόλις τελειοποιηθεί, η τεχνολογία θα πρέπει να κλιμακωθεί για εμπορική παραγωγή—μια διαδικασία που η τρισδιάστατη εκτύπωση εξορθολογίζει εγγενώς. Τελικά, η ομάδα οραματίζεται συσκευές που δεν είναι μόνο χαμηλές-κόστος δημιουργίας αλλά και βιοδιασπώμενο.

«Υπάρχει πολλές δυνατότητες σε αυτό που σχετίζεται με τον άνθρωπο-αλληλεπίδραση με τον υπολογιστή», είπε ο Παν.

Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Μικρομηχανές (2017, 8(1), 7) υπό τον τίτλο «Υλικά, Μηχανική και Τεχνικές Σχεδιασμού για Ελαστομέρες-Βασισμένοι εκτατικοί αγωγοί".