Стэнфордские исследователи разрабатывают растяжимую сенсорную электронику
yj
Из многих способов, при помощи которых люди воспринимают мир – наши глаза, уши, нос и рот – ничто, пожалуй, так не ценится, как наши тактильные и универсальные руки. Благодаря нашим чувствительным кончикам пальцев мы можем почувствовать тепло пламени или ощутить нежность щеки новорожденного.
Но люди с протезными конечностями живут в мире без чувства прикосновения. Восстановление некоторого подобия этого ощущения стало движущей силой для многолетнего стремления инженера-химика Zhenan Bao’s к созданию растяжимых, чувствительных к электронному воздействию синтетических материалов. Такой прорыв сможет в один прекрасный день послужить созданию кожных покрытий для протезирования. Но в ближайшей перспективе эта же технология может стать основой для эволюции нового жанра гибкой электроники, который резко контрастирует с жесткими смартфонами, которые многие из нас носят, с осторожностью, в наших задних карманах.
Теперь, в газете Nature, Zhenan Bao’s и ее команда описывают два технических открытия, которые могут привести к достижению этой 20-летней цели: созданию растяжимой полимерной схемы со встроенными сенсорными датчиками для обнаружения тонкого следа искусственной божьей коровки. И хотя это техническое достижение является важной вехой, второй и более практичный шаг – это метод массового производства этого нового класса гибкой, растяжимой электроники – важный шаг на пути к коммерциализации.
«Исследования синтетической кожи и гибкой электроники прошли долгий путь, но до сих пор никто не продемонстрировал процесс надежного производства растяжимых цепей», – сказала Zhenan Bao’s.
Надежда Zhenan Bao’s заключается в том, что производители однажды смогут изготовить листы из полимерной электроники, встроенные в широкий спектр датчиков, и в конечном итоге соединить эти гибкие, многоцелевые цепи с нервной системой человека. Такой продукт был бы аналогичен гораздо более сложной биохимической сенсорной сети и защитой поверхности, которую мы называем человеческой кожей, которая может не только ощущать прикосновение, но и температуру и другие явления. Но задолго до появления искусственной кожи процессы, описанные в этой Природной бумаге, позволят создать складные, растяжимые сенсорные экраны, электронную одежду или кожаные фрагменты для медицинских применений.
Zhenan Bao’s сказала, что весь производственный процесс включает в себя несколько слоев полимеров нового поколения, некоторые из которых обеспечивают эластичность материала, а другие являются сложными электронными сетками. Тем не менее, вторые служат также изоляторами для изоляции электронно-чувствительного материала. Одним из шагов в процессе производства является использование струйного принтера, чтобы, по существу, рисовать определенные слои.
«Мы разработали все эти слои и их активные элементы для безупречной совместной работы», – сказал ученый Sihong Wang, ведущий автор статьи.
Команда успешно смоделировала свой материал на квадратах около двух дюймов на стороне, содержащей более 6 000 отдельных устройств обработки сигналов, которые действуют как синтетические нервные окончания. Все это инкапсулировано в водонепроницаемый защитный слой.
Прототип можно растянуть, чтобы удвоить его первоначальные размеры и вернуть в обратное состояние, – все это время устройство сохраняло свою способность проводить электричество без трещин, расслаивания или морщин. Чтобы проверить долговечность, команда растянула образец более тысячи раз без значительного повреждения или потери чувствительности. Настоящий тест проводился, когда исследователи привязали свой образец к человеческой руке.
Возможно, наиболее перспективным является то, что процесс изготовления, описанный в этой статье, может стать платформой для оценки других растягиваемых электронных материалов, разработанных другими исследователями, которые в один прекрасный день могут заменить сегодняшнюю жесткую электронику.
Zhenan Bao’s сказала, что еще много работы впереди, прежде чем эти новые материалы и процессы будут такими же распространенными и работоспособными, как жесткая схема кремния. Прежде всего, сказала она, ее команда должна улучшить электронную скорость и производительность своего прототипа, но это многообещающий шаг.
«Я считаю, что мы находимся на пороге открытия нового мира электроники», – сказала Zhenan Bao’s.
