Универсальный соединитель в стиле Lego упрощает сборку растягивающихся устройств

Прочитано: 113 раз(а)


Международная группа под руководством исследователей из Наньянского технологического университета в Сингапуре (NTU Singapore) разработала универсальный соединитель для простой и быстрой сборки растягиваемых устройств в стиле «Лего».

Растяжимые устройства, в том числе мягкие роботы и носимые медицинские устройства, собираются с использованием нескольких различных модулей с различными характеристиками материалов — мягких, жестких и инкапсулированных.

Однако коммерческие пасты (клей), используемые в настоящее время для соединения модулей, часто либо не обеспечивают надежной передачи механических и электрических сигналов при деформации, либо легко ломаются.

Чтобы создать надежно функционирующее устройство, разъемы модулей (интерфейсы) должны быть изготовлены по индивидуальному заказу и иметь достаточную прочность для выполнения поставленных перед ними задач.

Изготовление легко собираемых растягивающихся устройств без ущерба для их прочности и надежности под нагрузкой было давней проблемой, которая ограничивала их разработку.

Сегодня команда под руководством NTU сообщает в журнале Nature о своем ответе на этот вызов — интерфейсе BIND (двухфазный, нанодисперсный интерфейс), который упрощает сборку растягиваемых устройств, обеспечивая при этом превосходные механические и электрические характеристики.

Точно так же, как строительные конструкции из блоков Lego, высокопроизводительные растягивающиеся устройства можно собирать, просто сжимая вместе любой модуль с интерфейсом BIND.

Этот удобный способ соединения электронных модулей может стать основой для сборки будущих растягиваемых устройств, в которых производители «подключают и работают» компоненты в соответствии со своими разработками.

Ведущий автор исследования Чен Сяодун, профессор кафедры материаловедения и инженерии в NTU Сингапура и научный директор Института исследования и инженерии материалов Агентства по науке, технологиям и исследованиям (A*STAR), сказал: «Наша прорывная инновация позволяет очень легко формировать и использовать растягиваемое устройство, поскольку оно работает как «универсальный соединитель». Любой электронный модуль с интерфейсом BIND можно подключить, просто сжав их вместе менее чем за 10 секунд.Кроме того, мы отказываемся от громоздкого процесса создания настраиваемых интерфейсов для конкретных систем, что, по нашему мнению, поможет ускорить разработку растягиваемых устройств. »

Это исследование согласуется с исследовательской составляющей пятилетнего стратегического плана Университета NTU2025, в котором основное внимание уделяется здоровью и обществу как одной области с потенциалом значительного интеллектуального и социального воздействия.

Превосходная механическая и электрическая растяжимость

В экспериментах модули, объединенные интерфейсом, показали отличную производительность. При испытаниях на растяжение модули выдерживали растяжение, в семь раз превышающее их первоначальную длину, прежде чем сломаться. Кроме того, электрическая трансмиссия модулей оставалась надежной до 2,8 раз больше их первоначальной длины при растяжении.

Интерфейс BIND также был оценен на его межфазную прочность с использованием стандартного теста на адгезию при отслаивании, в котором прочность сцепления между двумя модулями проверяется путем их растяжения друг от друга с постоянной скоростью под углом 180°. Что касается модулей инкапсуляции, исследователи обнаружили, что инновация в 60 раз прочнее, чем обычные разъемы.

Доктор Цзян Ин, научный сотрудник Школы материаловедения и инженерии NTU, сказал: «Эти впечатляющие результаты доказывают, что наш интерфейс можно использовать для создания высокофункциональных и надежных носимых устройств или мягких роботов. Например, его можно использовать в высококачественные носимые фитнес-трекеры, где пользователи могут растягиваться, жестикулировать и двигаться так, как им удобнее, не влияя на способность устройства улавливать и отслеживать их физиологические сигналы».

Чтобы продемонстрировать возможность использования в реальных приложениях, команда создала растягиваемые устройства с использованием интерфейса BIND и протестировала их на моделях крыс и коже человека.

При подключении к моделям крыс записи с растягиваемого устройства мониторинга показали надежное качество сигнала, несмотря на помехи в проводке, такие как прикосновение и дерганье. Прикрепляясь к коже человека, устройство собирало высококачественные сигналы электромиографии (ЭМГ), которые измеряют электрическую активность, возникающую в мышцах во время сокращения и расслабления мышц, даже под водой.

Как работает интерфейс

Чтобы разработать интерфейс BIND, исследователи термически испарили наночастицы металла (золота или серебра), чтобы сформировать прочную взаимопроникающую наноструктуру внутри мягкого термопластика, обычно используемого в растягиваемой электронике (стирол-этилен-бутилен-стирол).

Полученная наноструктура обеспечивает непрерывные механические и электрические пути, позволяя модулям с соединениями BIND оставаться прочными даже при деформации.

Выражая свое мнение в качестве эксперта, не участвовавшего в исследовании, профессор Такао Сомейя с факультета электротехники и электроники Токийского университета сказал: «Это исследование представляет собой значительное достижение в разработке метода электрического соединения с превосходной эластичностью, позволяющего избежать напряжения. концентрация на соединении между модулями с разной жесткостью, что снижает уровень шума. Ожидается ускорение промышленного применения растягиваемых устройств с созданием масштабируемого в промышленных масштабах высокопроизводительного производственного метода».

Комментируя как независимый эксперт, профессор Шломо Магдасси из Института химии Еврейского университета в Иерусалиме, сказал: «Этот новый универсальный и простой подход «подключи и работай», разработанный профессором Чен Сяодун и его командой, важен, потому что он позволит быстрое объединение различных компонентов простым прессованием для формирования устройств с различной функциональностью и сложностью, что ускоряет развитие области растягиваемой электроники».

На изобретение подан международный патент. В качестве следующих шагов исследовательская группа разрабатывает более эффективную технологию печати, чтобы расширить выбор материалов и окончательное применение этой инновации, чтобы ускорить ее перевод из лаборатории в проектирование и производство продуктов.

Универсальный соединитель в стиле Lego упрощает сборку растягивающихся устройств



Новости партнеров