Революция в носимых датчиках: Ультрабыстрое бесклейвое производство электростатической печатью

Инь Чжун, доцент механической инженерии в Южно-Флоридском университете, и её команда изобрели новый способ печати носимых датчиков без полимерных связующих. Они называют свой продукт e-skin.

Tech Briefs: Что дало вам идею использовать электростатическую силу для печати гибких датчиков?

Профессор Инь Чжун: У нас были коллабораторы, которые производили гибкие устройства — печатали их шёлковой печатью. Это значит, что нужно смешивать функциональные порошки с связующими, нагревать их и ждать высыхания, что занимает много времени. Так что мы искали способы печатать быстрее, без нагрева и высыхания.

Я работала над другим интересным проектом: использование коронного разряда для обработки поверхности полимерных плёнок. Мы поняли, что корона может генерировать уникальный тип сильного электрического поля, которым можно пользоваться для подъёма мелких объектов. Это заставило нас задуматься, возможно ли положить сухие порошки под плёнку, чтобы притянуть порошки прямо к подложке — мы попробовали, и это сработало.

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

Tech Briefs: Думаю, так часто происходит прогресс в технологиях. Мой следующий вопрос: как только частицы притянуты к подложке, как они там удерживаются?

Чжун: Как мы описали в нашей опубликованной статье, мы используем медицинкую ленту толщиной 8 микрометров, которая имеет клейкое покрытие для удержания частиц. Она настолько тонка, что когда вы приклеиваете её к коже, вы не чувствуете её.

Tech Briefs: Как вы бы включили разные виды датчиков при производстве этого?

Чжун: Эта печатная технология «универсальна» — она может печатать разные типы функциональных материалов. Так, например, мы можем использовать графен или углеродные нанотрубки (CNT), которые меняют сопротивление, отражая изменение деформации. Рабочий механизм в том, что деформация меняет расстояние между частицами, вызывая изменение сопротивления, отражающее величину деформации в датчике.

Мы также сообщили о датчике температуры на основе термохромических порошков в нашей статье. Как я сказала, это универсальная печатная технология — вы можете печатать разные типы функциональных материалов. Сейчас мы демонстрируем, что можем печатать термочувствительные татуировки, меняющие цвет при изменении температуры. Мы также пытаемся печатать материалы, чувствительные к влажности и разным типам газов, таким как аммиак, угарный газ и другие.

Tech Briefs: Думали ли вы о том, как это можно реализовать коммерчески. Мне кажется, вам придётся строить совершенно другой вид 3D-принтера.

Чжун: Да, мы сейчас сотрудничаем с Jabil, inc. для построения ролл-ту-ролл системы, которая позволит производить устройства с высокой скоростью. Поскольку мы не используем связующие, нам не нужно наносить тепло и ждать высыхания материала. Это означает, что используя эту ролл-ту-ролл систему для печати — для генерации электростатической силы — мы можем производить гибкие устройства и даже 3D-структуры с высокой скоростью и низкой стоимостью.

Tech Briefs: Сложно ли генерировать и обрабатывать высокое напряжение, необходимое для короны?

Чжун: Хотя нам нужно 20–30 киловольт для генерации короны, ток очень низкий, ниже 0,1 мА — наше лабораторное оборудование использует менее 2 ватт мощности — это очень энергоэффективно.

Tech Briefs: Проблема ли обеспечить, чтобы высокое напряжение не могло навредить?

Чжун: Ну, конечно, нужно управлять системой и закрыть все окружающие проводимые области. Основываясь на наших наблюдениях, пока вы закрываете держатель для электрода изолирующими слоями, это должно работать очень хорошо — мы не сталкивались с большими проблемами в этом.

Tech Briefs: Какой материал вы используете для покрытия?

Чжун: Пока в нашей лаборатории мы просто используем изолирующие ленты. В будущем мы планируем создать лучшее контролируемое покрытие поверхности или изолирующие держатели, что можно легко сделать. Мы можем использовать полимеры для реализации покрытия, и 3D-принтеры для производства прототипа. У нас в лаборатории несколько проектов, связанных с полимерами, так что это должно быть легко.

Tech Briefs: Есть ли у вас другие приложения в виду помимо вашего датчика деформации «e-skin»?

Чжун: Да, например, мы говорили с компанией о создании умных ковров с датчиками деформации, что становится практичным, потому что наша технология — очень низкая стоимость и ультрабыстрое производство, которое можно использовать для печати крупногабаритных изделий. Идея — производить ковер, который мог бы определять, сколько людей на нём стоят. Вы могли бы, например, регулировать энергопотребление HVAC системы на основе количества людей в комнате.

Мы также сотрудничаем с коллегой по приложению для физической реабилитации. Наш коллега работает с людьми, у которых трудности с контролем поведения их ног. Поскольку наш датчик ультратонкий, он очень удобен и можно сделать его достаточно большим для ношения. Это могло бы помочь им определить, как они могут лучше контролировать поведение своих ног.

Есть много возможных будущих применений. Например, вы могли бы прикрепить его к руке робота. Если вы хотите, чтобы он подхватил что-то, он мог бы чувствовать, какое давление приложено и какая площадь в контакте.

Tech Briefs: Есть ли у вас приблизительная оценка, когда это может быть готово для коммерческого использования?

Чжун: Сейчас мы работаем с Jabil, чтобы установить небольшую ролл-ту-ролл систему в нашей лаборатории. Если это будет хорошо работать, мы установим её в Jabil и поможем им производить датчики в больших количествах или больших размерах. Это может занять три-пять лет, но особенно в эти дни трудно предсказать.

Отредактированная версия этого интервью появилась в январском 2022 выпуске Tech Briefs.