ROLLA, Mo. — Elektroniska komponenter som kan vara långsträckta, vridna eller sträckta—känd som "töjbar" elektronik—kan snart driva allt från medicinska wearables till in-fordonssystem. Och forskare vid Missouri University of Science and Technology är banbrytande för en tillverkningsmetod som äntligen kan ta denna teknik till mainstream.

Skriver i januariupplagan 2017 av tidskriften Mikromaskiner, Missouri S&T-forskargruppen, ledd av Dr. Heng Pan, biträdande professor i maskin- och rymdteknik, bedömde detnuvarande tillståndet för töjbar elektronik och föreslog en lösning på en av fältets mest ihållande utmaningar: den grundläggande oöverensstämmelsen mellan flexibla ytor och styva elektroniska ledare.

Den stela-Flex utmaning

Kärnan i töjbar elektronik är substratet—typiskt en elastomer, en polymer med hög elasticitet som kan böjas, sträckas, bucklas och vridas upprepade gånger med liten påverkan på dess prestanda. Men de elektroniska ledarna som måste byggas in på eller bäddas in i denna flexibla yta är ofta spröda och stela.

"Unika konstruktioner och sträckmekanik har föreslagits för att harmonisera oöverensstämmelserna och integrera material med vitt skilda egenskaper som ett unikt system", skrev forskargruppen.

Direkt aerosolutskrift: ettnytt tillvägagångssätt

För att övervinna denna stela-flex barriär övergick Pan och hans kollegor till additiv tillverkning—en process som bygger tre-dimensionella föremål lager för lager, liknande 3D-utskrift men med metall, keramik eller andra funktionella material.

På Missouri S&T, de testar ett specifikt tillvägagångssätt Pan kallar "direkt aerosolutskrift". Processen går ut på att spruta ett ledande material och integrera det med ett töjbart substrat.

"Med utvecklingen av additiv tillverkning dyker direktskrivtekniker upp som ett alternativ till de traditionella subtraktiva mönstringsmetoderna," förklarade forskarna. Traditionella subtraktiva metoder inkluderar fotolitografi, som vanligtvis används för att tillverka halvledare.

Pan och hans team tror att additiv tillverkning erbjuder en mer ekonomisk väg för att skapa dessanya enheter. "Direkttryck, som en additiv tillverkningsmetod, skulle tillfredsställa sådana krav och erbjuda låg kostnad och hög hastighet i både prototypframställning och tillverkning", skrev de. "Det kan vara en lösning för kostnaden-effektiv och skalbar tillverkning av töjbar elektronik".

En prototyp som fastnar

Teamet har redan skapat en fungerande prototyp av en töjbar elektronisk enhet som kan fästa vid ansiktet. "Den största fördelen med den här elektroniken är att de kan vara helt bärbara, och de kan helt forma sig till alla typer av rörelser," berättade Pan R&D Magazine. "De kan monteras på ansiktet, till exempel, och kan upptäcka alla små rörelser från ditt ansikte".

Potentiella tillämpningar sträcker sig långt bortom ansiktssensorer. Dessa töjbara ledare skulle en dag kunna ersätta de stela, spröda kretskort som driver dagens elektroniska enheter. De kan användas som bärbara sensorer som fäster på huden för att övervaka hjärtfrekvens eller hjärnaktivitet, som sensorer inbäddade i kläder, eller till och med som tunna solpaneler som kan putsas på böjda ytor.

"Vi ser många fördelar. Vi tror att detta kan vara framtiden för elektronisk utveckling," sa Pan.

Utmaningar framöver

Trots löftet kvarstår betydande hinder innan töjbar elektronik blir allmänt antagen. Allt material som behövs för varje enhet måste vara utskrivbart, vilket kräver utveckling av bläck och tryckbart material med allanödvändiga egenskaper för varje elektronisk funktion.

"Det finns också integrationsutmaningar, såsom varierande temperaturkrav mellan olika material,"noterade Pan. En av teamets störstanuvarande fokus är att utveckla en effektiv, lång-hållbart töjbart batteri. "Energienheten är en mycket kritisk komponent för att detta ska vara realistiskt," sa Pan. "Vi jobbar intensivt med batteriet".

Forskarna betonar också behovet av att säkerställa att töjbar elektronik och de formbara ytorna de är byggda på presterar och åldras väl tillsammans.

En flexibel framtid

Trots dessa utmaningar är Pan fortfarande optimistisk. "Additiv tillverkning har fördelen att den enkelt kan byta från ett material till ett annat och integrera alla olika material tillsammans i ett tryck," sa han. "Vi tror att tillsatstekniken har en mycket stark fördel i skapandet av elektronik".

När den väl är fulländad kommer tekniken att behöva skalas upp för kommersiell produktion—en process som 3D-utskrift i sig effektiviserar. I slutändan föreställer sig teamet enheter som inte bara är låga-kostnad att skapa men också biologisktnedbrytbar.

"Det finns mycket potential i detta relaterat till människor-datorinteraktion," sa Pan.

Forskningen publicerades i Mikromaskiner (2017, 8(1), 7) under titeln "Materials, Mechanics, and Patterning Techniques for Elastomer-Baserade töjbara ledare".