Вопросы и ответы:сверхбыстрое производство носимых датчиков

Ин Чжун, доцент кафедры машиностроения Университета Южной Флориды, и ее команда изобрели новый способ печати носимых датчиков без полимерных связующих. Они называют свой продукт электронной кожей.

Технические обзоры :Что натолкнуло вас на идею использовать электростатическую силу для печати гибких датчиков?

Профессор Ин Чжун: У нас было несколько сотрудников, которые производили гибкие устройства — печатали их трафаретной печатью. Это означает, что вам нужно смешивать функциональные порошки со связующими, нагревать их и ждать, пока они высохнут, что занимает много времени. Поэтому мы искали способы печатать быстрее, без нагрева и сушки.

Я работал над другим интересным проектом:использование коронного разряда для обработки поверхности полимерных пленок. Мы поняли, что корона может генерировать сильное электрическое поле уникального типа, которое мы можем использовать для подъема небольших предметов. Это заставило нас задуматься, можно ли поместить сухие порошки под пленку, чтобы притягивать порошки непосредственно к подложке — мы попробовали, и это сработало.

Мы обнаружили проблему и поняли, что технология, над которой мы уже работали, может стать ее решением.

Технические обзоры: Я думаю, именно так часто происходит прогресс в технологиях. Мой следующий вопрос:когда частицы притягиваются к подложке, как они там удерживаются?

Чжун: Как мы описали в нашей опубликованной статье, мы используем медицинскую ленту толщиной восемь микрометров, которая имеет клейкое покрытие для удержания частиц. Он настолько тонкий, что, когда вы приклеите его к коже, вы его не почувствуете.

Технические обзоры: Как бы вы использовали различные датчики при производстве?

Чжун: Эта технология печати является «универсальной» — ею можно печатать различные виды функциональных материалов. Так, например, мы можем использовать графен или углеродные нанотрубки (УНТ), удельное сопротивление которых изменяется в соответствии с изменением напряжения. Рабочий механизм заключается в том, что напряжение изменяет расстояние между частицами, вызывая изменение сопротивления, отражающее величину напряжения в датчике.

В нашей статье мы также сообщали о датчике температуры на основе термохромных порошков. Как я уже говорил, это универсальная технология печати — можно печатать разными видами функциональных материалов. Теперь мы демонстрируем, что можем печатать чувствительные к температуре татуировки, которые меняют цвет при изменении температуры. Мы также пытаемся напечатать материалы, которые могут быть чувствительны к влажности и различным типам газов, таких как аммиак, окись углерода и другие.

Технические обзоры: Вы думали о том, как это можно реализовать на коммерческой основе? Мне кажется, вам придется построить совершенно другой тип 3D-принтера.

Чжун: Да, в настоящее время мы сотрудничаем с Jabil, Inc. построить рулонную систему, которая позволит производить устройства с высокой скоростью. Поскольку мы не используем связующие вещества, нам не нужно нагревать и ждать, пока материал высохнет. Это означает, что, используя эту систему рулонной печати для создания электростатической силы, мы можем производить гибкие устройства и даже трехмерные конструкции с высокой скоростью и по низкой цене.

Технические обзоры: Сложно ли генерировать и обрабатывать высокое напряжение, необходимое для создания короны?

Чжун: Хотя нам нужно от 20 до 30 киловольт для генерации короны, ток очень низкий, менее 0,1 мА — наше лабораторное оборудование потребляет менее 2 Вт мощности — оно очень энергоэффективно.

Технические обзоры: Можно ли гарантировать, что высокое напряжение не причинит вреда?

Чжун: Ну и конечно же вы должны управлять системой и замазать все окружающие токопроводящие участки. По нашим наблюдениям, пока вы покрываете держатель электрода изолирующим слоем, он должен работать очень хорошо — у нас не было особых проблем с этим.

Технические обзоры: Какой материал вы используете для обложки?

Чжун: На данный момент в нашей лаборатории мы просто используем изоляционные ленты. В будущем мы планируем создать более контролируемое покрытие поверхности или изоляционные держатели, что можно легко сделать. Мы можем использовать полимеры для создания покрытия и 3D-принтеры для изготовления прототипа. В моей лаборатории есть несколько проектов, связанных с полимерами, так что это должно быть легко.

Технические обзоры: Планируете ли вы использовать другие приложения помимо датчика деформации «электронной кожи»?

Чжун: Да, например, мы говорили с компанией о создании умных чувствительных к натяжению ковров, что становится практичным, потому что у нас очень недорогая и сверхбыстрая технология производства, которую можно использовать для печати изделий большой площади. Идея состоит в том, чтобы произвести ковер, который мог бы определять, сколько людей на нем стоит. Затем вы можете, например, отрегулировать энергопотребление системы HVAC в зависимости от количества людей в комнате.

Мы также сотрудничаем с коллегой по заявке на физическую реабилитацию. Наш коллега работает с людьми, которым трудно контролировать поведение своих ног. Поскольку наш датчик ультратонкий, он очень удобен, и вы можете сделать его достаточно большим, чтобы его можно было носить. Это может помочь им понять, как лучше контролировать поведение своих ног.

Есть много возможных будущих применений. Например, вы можете прикрепить его к руке робота. Если вы хотите, чтобы он что-то поднял, он может определить силу давления и область, с которой он соприкасается.

Технические обзоры: У вас есть приблизительное предположение, когда это может быть готово для коммерческого использования?

Чжун: Прямо сейчас мы работаем с Jabil над созданием небольшой рулонной системы в нашей лаборатории. Если он будет работать хорошо, мы настроим его в Jabil и поможем им производить датчики в больших количествах или больших размерах. Это может занять от трех до пяти лет, но особенно в наши дни это трудно предсказать.

Отредактированная версия этого интервью была опубликована в выпуске журнала Tech Briefs за январь 2022 г.