Растягивающаяся электроника может быть разработана путем интеграции жестких компонентов в мягкую полимерную матрицу. Однако устранить трещины на границе раздела между мягкими и жесткими материалами сложно. В новом отчете, опубликованном и проиллюстрированном на обложке журнала Science Advances, Jun Chang Yang, Seungkyu Lee и исследовательская группа в области материаловедения и машиностроения Корейского передового института науки и технологий в Республике Корея разработали геометрически спроектированные островки в форме колеса обозрения для эффективного подавления распространения трещин на границе раздела. при различных режимах деформации. Оптимизированная форма показала повышенную деформацию при разрушении и усталостную долговечность по сравнению с обычными формами, включая островки круглой и квадратной формы. Команда продемонстрировала, как электронная кожа может различать различные тактильные раздражители без помех, демонстрируя при этом заметно повышенную долговечность, чтобы выдерживать условия ежедневного использования.

Острова в форме колеса обозрения (FWI)

Растягиваемая электроника позволяет реализовать множество ранее неизвестных функций, предлагая различные форм-факторы, которые обычно несовместимы с жесткой электроникой. Например, растягиваемые дисплеи , аккумуляторные батареи и логические схемы уязвимы для поперечного растяжения и могут быть защищены от механической деформации с помощью различных инженерных стратегий. Однако механическое несоответствие между жесткими островками и полимерными материалами может привести к межфазным трещинам и нарушению функционирования устройства. Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали несколько стратегий. В этой работе Ян и др. представили геометрически спроектированные жесткие островки с превосходной механической стабильностью на границе раздела.

Механически блокирующая структура предложенного FWI эффективно подавляла распространение трещины на границе раздела. Оптимизированные геометрические формы зависят от механических свойств составляющих полимерных материалов. По своей конструкции повторяющаяся блокирующая структура продлевает усталостную долговечность при различных режимах деформации и растяжения. Команда продемонстрировала множество применений массива, который они разработали с использованием полимерного материала Ecoflex, чтобы продемонстрировать растягиваемую электронику при различных деформациях и формирование электронной кожи для обнаружения тактильных раздражителей с долговечностью для повседневного использования и коммерческой жизнеспособностью.

Разработка FWI, встроенного в матрицу Ecoflex

Ян и др. использовали 3D-печать для экономичного производства различных форм островов. Они встроили печатные островки в полимерную матрицу, приготовленную с использованием полимолочной кислоты .и Ecoflex для образования островка и полимера соответственно. FWI эффективно подавляли распространение трещин, повышая способность к растяжению. Конструкции сохраняли превосходную растяжимость по сравнению с различными случайно сгенерированными формами. Во время растяжения, чтобы понять распространение трещин на границе раздела, Ян и др. использовали корреляционный анализ цифровых изображений, чтобы получить распределение деформации Ecoflex вблизи и на островках. Чтобы получить FWI, команда изучила свойства островков круглой формы относительно их способности к растяжению, методы реализации межфазной прочности и возможность реализации механической блокировки в FWI для предотвращения распространения трещин через закрепленные области Ecoflex.

Исследователи напечатали в 3D несколько различных FWI и проанализировали их, чтобы подтвердить количество «зубцов» на устройстве, которые, как предполагалось, оказали наибольшее влияние на конструкцию, где распространение трещин различалось для каждой формы. Они разработали метод моделирования методом конечных элементов, чтобы понять влияние конструкции островка на его свойства, и показали, как можно регулировать распространение трещины между матрицей и островом для FWI из различных компонентов материала. Ян и его коллеги протестировали три материала, в том числе кожу дракона, Ecoflex и гель Ecoflex, из которых Ecoflex лучше всего подходил для изготовления растягиваемой электроники.

Механическая надежность компонентов и формирование E-skin

Ученые отметили эффективное подавление распространения трещин в устройстве для повышения растяжимости и увеличения усталостной долговечности конструкций. Они проверили свойства с помощью испытаний на усталость, чтобы понять, как сопротивление распространению трещин влияет на механическую стабильность при различных трехмерных деформациях. Результаты показали, как геометрические конструкции повлияли на растяжимую электронику, чтобы подтолкнуть устройства к различным практическим приложениям. Исследователи разработали растяжимую электронику в виде массива и заключили ее в капсулу Ecoflex. Конструкция хорошо функционировала в диапазоне режимов деформации для удобства пользователя и долговечности.

Материал можно использовать для целого ряда приложений, включая виртуальную дополненную реальность, человеко-машинные интерфейсы и робототехнику , при повторяющихся и чрезмерных механических деформациях. Ян и др. использовали четыре микропирамидных пьезорезистивных датчика давления на основе полидиметилсилоксана с покрытием из полипиррола на FWI, а также два пористых углеродных нанотрубки и пьезорезистивный датчик деформации на основе композита Ecoflex, нанесенный на Ecoflex. Они включали сканирующую электронную микроскопию .изображения и подтвердили внешний вид микроструктур. В качестве доказательства концепции команда собрала информацию о ежедневных движениях субъектов, используя устройство для мониторинга состояния здоровья с помощью датчика, прикрепленного к колену. После прикрепления команда отделяла сложные тактильные стимулы с одновременным вводом напряжения и давления в режиме реального времени.

Внешний вид: электронная кожа

Таким образом, Jun Chang Yang, Seungkyu Lee и их коллеги разработали растяжимую электронику для обеспечения высокой прочности. Они разработали FWI с высокой механической стабильностью на границе раздела с соответствующими мягкими полимерами. Конструкция улучшила деформацию при разрушении и увеличила усталостную долговечность при различных режимах деформации. FWI оказывают значительное влияние на механическую стабильность подложки в зависимости от механических свойств компонентов полимера. Команда использовала конструкции на практике в качестве растяжимой электроники, напечатав растяжимые по своей природе электроды и поместив жесткие компоненты на массив FWI, и они разработали электронную кожу .различать различные физические раздражители. Результат применим для высокой прочности при различных режимах деформации, чтобы облегчить коммерциализацию электронных оболочек или растягиваемой электроники в ближайшем будущем.