Растягивающиеся электронные схемы имеют решающее значение для мягкой робототехники, носимых технологий и биомедицинских приложений. Однако современные способы их изготовления ограничили их потенциал.

Команда исследователей из Йельской лаборатории Ребекки Крамер-Боттильо, доцента кафедры машиностроения и материаловедения Джона Дж.Ли, разработала материал и процесс изготовления, которые могут быстро сделать эти устройства более эластичными, прочными и близкими к массовому производству. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials.

Одной из самых больших проблем для этой области электроники является надежное соединение растягивающихся проводников с жесткими материалами, используемыми в коммерчески доступных электронных компонентах, таких как резисторы, конденсаторы и светоизлучающие диоды (светодиоды).

"Проблема в том, что трудно соединить что-то мягкое с чем-то жестким", - сказал Шаньлянцзы Лю, ведущий автор статьи и бывший аспирант лаборатории Крамера-Боттиильо. Когда растягивающиеся материалы изгибаются и удлиняются, на границе раздела возникает большая сила сдвига, которая часто разрывает соединение, делая цепь непригодной для использования.

Материал, известный как эвтектический галлий–индий (eGain), который поддерживает жидкую форму при комнатной температуре, использовался для соединений в растягиваемой электронике, но его высокое поверхностное натяжение не позволяет ему правильно соединяться с жесткими компонентами. Чтобы обойти эту проблему, использовались различные стратегии, но ценой ограничения растяжимости и долговечности получаемых цепей.

Лаборатория Крамера-Боттильо использовала другой подход, используя наночастицы eGain для разработки нового материала—двухфазного Ga-In (bGaIn), который содержит как твердые, так и жидкие элементы. При нагревании до 900 ° C наночастичная пленка eGain меняет форму, образуя тонкий твердый оксидный слой сверху с толстым слоем твердых частиц, встроенных в жидкий eGain. Отслаиваясь, материал переносится на растягивающиеся подложки, подобно тому, как работают временные татуировки.

Благодаря надежному интерфейсу между bGaIn и жесткими электронными компонентами в результате получается растягивающаяся печатная плата, которая работает так же хорошо, как и обычная, даже при высоких уровнях деформации. Этот подход открывает возможности для создания растягивающихся схем для широкого спектра промышленных применений, включая мягкие дисплеи и умную одежду.

Чтобы продемонстрировать этот процесс, команда использовала его для создания ряда устройств, включая схему усилителя, которая может быть растянута по крайней мере в пять раз по сравнению с первоначальной длиной, растягивающуюся светодиодную матрицу "Йель" и многослойную плату формирования сигнала, интегрированную с растягивающимся датчиком, прикрепленным к поверхности рукава рубашки пользователя. Схемы были также нанесены на латексный баллон и "написаны от руки" на очень пористой пене.

"Ключ здесь в том, что вся схема растягивается",-сказал соавтор Дилан Шах, аспирант лаборатории Крамера-Боттильо. "Предыдущие схемы, используемые в мягких роботах, имели комбинацию небольших областей, которые не растягивались, а затем растягивались. Поскольку наши схемы имеют проводник и интерфейс, которые одновременно растягиваются, они гораздо более эластичны и гибки."

Для этого исследования исследователи использовали трансферную печать, которая требует ручного шага. Лю, который сейчас является аспирантом Северо-Западного университета, сказал, что одним из следующих шагов в этом исследовании является модификация чернил bGaIn для печати, чтобы они могли быть легко интегрированы в автоматизированные линии производства схем.

ИСТОЧНИК