ROLLA, Mo. — Componenti elettronici che possono essere allungati, attorcigliati o allungati—nota come elettronica "estensibile".—potrebbe presto alimentare qualsiasi cosa, dai dispositivi medici indossabili all'elettronica-sistemi del veicolo. E i ricercatori della Missouri University of Science and Technology stanno sperimentando un approccio produttivo che potrebbe finalmente portare questa tecnologia al mainstream.

Scrittonell'edizione di gennaio 2017 della rivista Micromacchine, il Missouri S&Il gruppo di ricerca T, guidato dal dottor Heng Pan, assistente professore di ingegneria meccanica e aerospaziale, ha valutato lo stato attuale dell'elettronica estensibile e ha proposto una soluzione a una delle sfide più persistenti del settore: la fondamentale discrepanza tra superfici flessibili e conduttori elettronici rigidi.

Il rigido-Sfida flessibile

Il cuore dell’elettronica estensibile è il substrato—tipicamente un elastomero, un polimero con elevata elasticità che può essere piegato, allungato, deformato e attorcigliato ripetutamente con un impatto minimo sulle sue prestazioni. Tuttavia, i conduttori elettronici che devono essere integrati o incorporati in questa superficie flessibile sono spesso fragili e rigidi.

"Sono stati proposti progetti unici e meccanismi di allungamento per armonizzare i disallineamenti e integrare materiali con proprietà molto diverse come un unico sistema", ha scritto il gruppo di ricerca

Stampa aerosol diretta: unnuovo approccio

Per superare questa rigidità-barriera flessibile, Pan e i suoi colleghi si sono rivolti alla produzione additiva—un processo chene costruisce tre-oggetti dimensionali strato per strato, simile alla stampa 3D ma utilizzando metalli, ceramica o altri materiali funzionali.

Nel Missouri S&T, stanno testando un approccio specifico che Pan chiama "stampa diretta tramite aerosol". Il processo prevede la spruzzatura di un materiale conduttivo e la sua integrazione con un substrato estensibile.

"Con lo sviluppo della produzione additiva, le tecniche di scrittura diretta si stanno rivelando un'alternativa ai tradizionali metodi di modellazione sottrattiva", hanno spiegato i ricercatori. Gli approcci sottrattivi tradizionali includono la fotolitografia, comunemente utilizzata per produrre semiconduttori.

Pan e il suo team ritengono che la produzione additiva offra un percorso più economico per creare questinuovi dispositivi. "La stampa diretta, come metodo di produzione additiva, soddisferebbe tali requisiti e offrirebbe bassi costi e alta velocità sianella prototipazione chenella produzione", hanno scritto. "Potrebbe essere una soluzione economica-fabbricazione efficace e scalabile di elettronica estensibile".

Un prototipo che rimane

Il team ha già creato un prototipo funzionante di un dispositivo elettronico elastico in grado di aderire al viso. "Il vantaggio più grande di questi dispositivi elettronici è che possono essere completamente indossabili e possono adattarsi perfettamente a qualsiasi tipo di movimento", ha detto Pan R&Rivista D. "Possono essere montati sul viso, ad esempio, e potrebbero rilevare qualsiasi piccolo movimento del tuo viso".

Le potenziali applicazioni vanno ben oltre i sensori facciali. Questi conduttori estensibili potrebbero un giorno sostituire i circuiti rigidi e fragili che alimentano i dispositivi elettronici di oggi. Potrebbero essere utilizzati come sensori indossabili che aderiscono alla pelle per monitorare la frequenza cardiaca o l’attività cerebrale, come sensori incorporatinegli indumenti o anche come sottili pannelli solari che potrebbero essere incollati su superfici curve..

"Vediamo molti vantaggi. Pensiamo che questo possa essere il futuro dello sviluppo elettronico", ha detto Pan.

Sfide future

Nonostante la promessa, rimangono ostacoli significativi prima che l’elettronica estensibile venga ampiamente adottata. Tutti i materialinecessari per ciascun dispositivo devono essere stampabili, richiedendo lo sviluppo di inchiostri e materiali stampabili con tutte le proprietànecessarie per ciascuna funzione elettronica.

"Ci sono anche sfide di integrazione, come i diversi requisiti di temperatura tra i diversi materiali", ha osservato Pan. Uno dei maggiori obiettivi attuali del team è lo sviluppo di un approccio efficace e lungo-batteria estensibile e duratura. "Il dispositivo energetico è un componente molto critico affinché tutto ciò sia realistico", ha detto Pan. "Stiamo lavorando intensamente sulla batteria".

I ricercatori sottolineano inoltre lanecessità di garantire che i componenti elettronici elastici e le superfici malleabili su cui sono costruiti funzionino e invecchino bene insieme.

Un futuro flessibile

Nonostante queste sfide, Pan rimane ottimista. "La produzione additiva ha il vantaggio di poter passare facilmente da un materiale all'altro e di integrare tutti i diversi materiali insieme in un'unica stampa", ha affermato. "Crediamo che la tecnica additiva abbia un vantaggio molto fortenella creazione dell'elettronica".

Una volta perfezionata, la tecnologia dovrà essere ampliata per la produzione commerciale—un processo che la stampa 3D intrinsecamente semplifica. In definitiva, il team prevede dispositivi chenon siano solo bassi-costo di creazione ma anche biodegradabile.

"C'è molto potenziale in questo legato all'essere umano-interazione con il computer", ha detto Pan.

La ricerca è stata pubblicata in Micromacchine (2017, 8(1), 7) sotto il titolo "Materiali, meccanica e tecniche di modellazione dell'elastomero".-Conduttori estensibili basati".