ROLLA, Mo. — Elementy elektroniczne, które można wydłużać, skręcać lub rozciągać—znane jako „rozciągliwa” elektronika—może wkrótce zasilać wszystko, od urządzeń medycznych po urządzenia do użytku domowego-systemy pojazdów. Naukowcy z Uniwersytetu Nauki i Technologii Missouri są pionierami podejścia do produkcji, które może w końcu wprowadzić tę technologię do głównegonurtu.

Tekst w wydaniu czasopisma ze stycznia 2017 r Mikromaszyny, Missouri S&Zespół badawczy T, kierowany przez dr Heng Pan, adiunkta inżynierii mechanicznej i lotniczej, ocenił obecny stan rozciągliwej elektroniki i zaproponował rozwiązanie jednego znajbardziej uporczywych wyzwań w tej dziedzinie: zasadniczegoniedopasowania elastycznych powierzchni i sztywnych przewodników elektronicznych.

Sztywny-Wyzwanie Flexa

Sercem rozciągliwej elektroniki jest podłoże—zazwyczaj elastomer, polimer o dużej elastyczności, który można zginać, rozciągać, wyginać i skręcać wielokrotnie, przyniewielkim wpływiena jego działanie. Jednakże przewodniki elektroniczne, które muszą być wbudowane lub osadzone w tej elastycznej powierzchni, są często kruche i sztywne.

„Zaproponowano unikalne projekty i mechanikę rozciągania, aby zharmonizowaćniedopasowania i zintegrować materiały o bardzo różnych właściwościach w jeden unikalny system” –napisał zespół badawczy

Bezpośredni druk aerozolowy:nowe podejście

Aby pokonać tę sztywność-barierę flex, Pan i jego koledzy zwrócili się w stronę wytwarzania przyrostowego—proces, który buduje trzy-obiekty wymiarowe warstwa po warstwie, podobnie do druku 3D, ale przy użyciu metali, ceramiki lub innych materiałów funkcjonalnych.

W Missouri S&T. testują specyficzne podejście, które Pannazywa „bezpośrednim drukiem aerozolowym”. Proces polegananatryskiwaniu materiału przewodzącego i zintegrowaniu go z rozciągliwym podłożem.

„Wraz z rozwojem wytwarzania przyrostowego techniki pisania bezpośredniego stają się alternatywą dla tradycyjnych metod tworzenia wzorów subtraktywnych” – wyjaśnilinaukowcy. Tradycyjne metody subtraktywne obejmują fotolitografię, która jest powszechnie stosowana do produkcji półprzewodników.

Pan i jego zespół uważają, że produkcja przyrostowa stanowi bardziej ekonomiczną ścieżkę tworzenianowych urządzeń. „Druk bezpośredni, jako metoda wytwarzania przyrostowego, spełni takie wymagania i zapewniniski koszt oraz dużą prędkość zarówno w prototypowaniu, jak i w produkcji” –napisali. „To może być rozwiązanie ze względuna koszty-efektywne i skalowalne wytwarzanie rozciągliwej elektroniki”.

Prototyp, który się trzyma

Zespół stworzył już działający prototyp rozciągliwego urządzenia elektronicznego, które może przylegać do twarzy. „Największą zaletą tej elektroniki jest to, że można ją w całościnosić i dopasowywać do każdego rodzaju ruchu” – powiedział Pan. R&Magazyn D. „Można je zamontowaćna przykładna twarzy i wykrywać każdyniewielki ruchna twarzy”.

Potencjalne zastosowania wykraczają daleko poza czujniki twarzy. Te rozciągliwe przewodniki mogą pewnego dnia zastąpić sztywne, kruche płytki drukowane zasilające dzisiejsze urządzenia elektroniczne. Można je stosować jako czujniki donoszenia, które przylegają do skóry w celu monitorowania tętna lub aktywności mózgu, jako czujniki wbudowane w ubranie, anawet jako cienkie panele słoneczne, które można przykleićna zakrzywionych powierzchniach.

„Widzimy wiele korzyści. Uważamy, że może to być przyszłość rozwoju elektroniki” – powiedział Pan.

Wyzwania przednami

Pomimo obietnic, zanim rozciągliwa elektronika stanie się powszechnie stosowana,nadal istnieją poważne przeszkody. Wszystkie materiały potrzebne do każdego urządzenia musząnadawać się do druku, co wymaga opracowania atramentów i materiałównadających się do druku o wszystkichniezbędnych właściwościach dla każdej funkcji elektronicznej.

„Istnieją również wyzwania związane z integracją, takie jak różne wymagania temperaturowe różnych materiałów” – zauważył Pan. Obecnie jednym znajwiększych celów zespołu jest opracowanie efektywnego, długiego uderzenia-wytrzymała, rozciągliwa bateria. „Urządzenie energetyczne jest bardzo krytycznym elementem, aby było to realistyczne” – powiedział Pan. „Intensywnie pracujemynad baterią”.

Naukowcy podkreślają również potrzebę zapewnienia, że rozciągliwa elektronika i plastyczne powierzchnie,na których jest zbudowana, będą dobrze działać i starzeć się razem.

Elastyczna przyszłość

Pomimo tych wyzwań Pan pozostaje optymistą. „Wytwarzanie przyrostowe ma tę zaletę, że można z łatwością zmieniać jeden materiałna drugi i integrować wszystkie różne materiały w jednym wydruku” – powiedział. „Wierzymy, że technika addytywna ma bardzo dużą przewagę w tworzeniu elektroniki”.

Po udoskonaleniu technologii konieczne będzie jej skalowanie do celów produkcji komercyjnej—proces, który druk 3D znatury usprawnia. Docelowo zespół planuje urządzenia, które będąnie tylkoniskie-koszt stworzenia, ale także ulega biodegradacji.

„Jest w tym duży potencjał związany z człowiekiem-interakcja z komputerem” – powiedział Pan.

Badanie opublikowano w Mikromaszyny (2017, 8(1), 7) pod tytułem „Materiały, mechanika i techniki modelowania elastomerów”.-Rozciągliwe przewodnikina bazie”.