Продолжая развивать тему развития одного из направлений изготовления 3D-MID устройств методом печатной электроники, мы сегодня продемонстрируем новые возможности гибкой электроники.
ахвата
Новая гибридная технология 3D-печати, разработанная в Wyss Institute at Harvard University, Гарвардской школе инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона и Исследовательской лаборатории ВВС, объединяет растягивающиеся проводящие чернила и электронные компоненты в гибкие, прочные носимые устройства, которые двигаются вместе с телом и обладают повышенной программируемостью. (Видео любезно предоставлено Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)
Человеческая кожа должна сгибаться и растягиваться, чтобы соответствовать каждому движению тела. Все, что надевается на тело, также должно быть способно сгибаться вокруг мышц и суставов, что объясняет популярность синтетических тканей, таких как спандекс, в одежде для активного отдыха. Носимые электронные устройства, предназначенные для отслеживания и измерения движений тела, должны обладать аналогичными свойствами, однако интеграция жестких электрических компонентов в имитирующие кожу матричные материалы или внутри них оказалась непростой задачей. Такие компоненты не могут растягиваться и поглощать деформации, как мягкие материалы, и это несоответствие в гибкости концентрирует напряжение на стыке между жесткими и мягкими элементами, что часто приводит к поломке носимых устройств.
Вакуум, подаваемый через пустой чернильный аппликатор, используется для захвата и размещения твердых электронных компонентов.
(Изображение любезно предоставлено Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)
Сотрудничество между лабораторией Дженнифер Льюис, доктора наук из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) и Института биологического вдохновения (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering) Гарвардского университета и Дж. Дэниелом Берриганом, доктором наук, и Майклом Дерстоком, доктором наук, из Исследовательской лаборатории ВВС США, позволило создать новую технологию аддитивного производства мягкой электроники, называемую гибридной 3D-печатью, которая объединяет мягкие электропроводящие краски и матричные материалы с жесткими электронными компонентами в единое растягивающееся устройство.
"С помощью этой техники мы можем напечатать электронный датчик непосредственно на материале, цифровым способом подобрать и разместить электронные компоненты и напечатать проводящие соединения, которые завершают электронную схему, необходимую для "считывания" сигнала данных датчика, за один заход", - говорит первый автор работы Алекс Валентайн, который на момент завершения исследования работал штатным инженером в Институте Wyss, а в настоящее время является студентом медицинского факультета Бостонского университета.
Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.
Растягивающиеся проводящие чернила изготовлены из термопластичного полиуретана (ТПУ), гибкого пластика, который смешивается с серебряными хлопьями. Чернила из чистого ТПУ и серебра-ТПУ печатаются для создания мягкой подложки и проводящих электродов устройства, соответственно.
"Поскольку и подложка, и электроды содержат ТПУ, при послойной печати они сильно сцепляются друг с другом до сушки", - объясняет Валентайн. "После испарения растворителя обе краски застывают, образуя интегрированную систему, которая одновременно является гибкой и растяжимой".
Поскольку чернила и подложка печатаются в 3D-формате, мы имеем полный контроль над расположением проводящих элементов и можем разрабатывать схемы для создания мягких электронных устройств практически любого размера и формы.
В процессе печати серебряные хлопья в проводящих чернилах выравниваются вдоль направления печати так, что их плоские, похожие на пластины стороны наслаиваются друг на друга, как накладывающиеся друг на друга листья на лесной подстилке. Такое структурное выравнивание улучшает их способность проводить электричество вдоль напечатанных электродов.
"Поскольку чернила и подложка печатаются в 3D-формате, мы полностью контролируем расположение проводящих элементов и можем разрабатывать схемы для создания мягких электронных устройств практически любого размера и формы", - говорит Уилл Боли, доктор философии, постдокторант лаборатории Льюиса в SEAS и соавтор статьи.
Мягкие датчики, состоящие из проводящих материалов, которые демонстрируют изменения в своей электропроводности при растяжении (именно так они обнаруживают движение), соединены с программируемым микроконтроллерным чипом для обработки этих данных, а также с устройством считывания, которое передает данные в понятной человеку форме. Для достижения этой цели исследователи объединили напечатанные мягкие датчики с цифровым процессом "pick-and-place process", который применяет умеренный вакуум через пустое печатное сопло (через которое обычно подаются чернила) для захвата электронных компонентов и размещения их на поверхности подложки определенным, программируемым образом.
Полноценное гибридное 3D-печатное устройство сгибается и приспосабливается к форме тела.
(Изображение любезно предоставлено Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)
Поскольку эти поверхностные электрические компоненты (например, светодиоды, резисторы, микросхемы) по своей природе являются жесткими и твердыми, команда воспользовалась адгезивными свойствами ТПУ, нанеся под каждый компонент точку чернил ТПУ, прежде чем прикрепить его к мягкой подложке ТПУ. После высыхания точки ТПУ служат для крепления этих жестких компонентов и распределения напряжения по всей матрице, что позволяет полностью собранным устройствам растягиваться на 30 процентов, сохраняя при этом свою функциональность. Устройство, состоящее из 12 светодиодов, прикрепленных к плоскому листу ТПУ, созданное с помощью этого метода, можно было неоднократно сгибать в цилиндрическую форму без снижения интенсивности света светодиодов или механического разрушения устройства.
В качестве простого доказательства концепции их команда создала два мягких электронных устройства, чтобы продемонстрировать все возможности этого метода аддитивного производства. Датчик деформации был изготовлен путем печати электродов из ТПУ и серебряной ТПУ-краски на текстильной основе и нанесения микроконтроллерного чипа и считывающих светодиодов методом pick-and-place, в результате чего получилось носимое устройство, похожее на рукав, которое показывает, насколько сильно сгибается рука пользователя путем последовательного загорания светодиодов. Второе устройство, датчик давления в форме левой ноги человека, было создано путем печати чередующихся слоев проводящих электродов из серебра и изоляционного ТПУ для формирования электрических конденсаторов на мягкой подложке из ТПУ, чьи деформации обрабатываются ручной электрической системой считывания для создания визуального изображения "тепловой карты" стопы, когда человек наступает на датчик.
Гибридное 3D-печатное устройство может многократно сгибаться в цилиндрическую форму без выхода из строя светодиодов.
(Изображение любезно предоставлено Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering).
Хотя команда продолжает оптимизировать как материалы, так и методы, гибридная 3D-печать широко применима для производства множества электронных устройств.
Мы расширили палитру печатаемых электронных материалов и расширили нашу программируемую платформу печати из нескольких материалов, чтобы обеспечить возможность цифрового "выбора и размещения" электронных компонентов. Мы считаем, что это важный первый шаг к созданию настраиваемой носимой электроники, которая отличается низкой стоимостью и механической прочностью", - говорит Льюис, который является автором-корреспондентом статьи, членом основного факультета Института Wyss и профессором биологического инжиниринга Хансйорга Wyss в SEAS.