Растяжимые сенсорные материалы повышают производительность электроники под нагрузкой

Наши тела посылают множество сигналов — химические, электрические импульсы, механические смещения — которые могут дать огромную информацию о нашем здоровье. Но электронные сенсоры, которые могут обнаруживать эти сигналы, часто сделаны из хрупких неорганических материалов, которые мешают им растягиваться и изгибаться на коже или внутри тела. Недавние достижения сделали возможными растяжимые сенсоры, но их изменения формы могут влиять на производимые данные, и многие сенсоры не могут собирать и обрабатывать слабейшие сигналы тела.

Новый дизайн сенсора включает паттернированный материал, который оптимизирует распределение деформации среди транзисторов, создавая растяжимую электронику, которая меньше компрометируется деформацией. Исследователи также создали несколько цепных элементов с этим дизайном, что может привести к еще большему количеству типов растяжимой электроники.

Для проектирования электроники исследователи использовали концепцию паттернированного распределения деформации. При создании транзистора они использовали субстраты из эластомера — эластичного полимера. Они варьировали плотность слоев эластомера, что означает, что некоторые оставались более мягкими, в то время как другие были более жесткими, но все еще эластичными. Более жесткие слои — названные «эластифф» исследователями — использовались для активных электронных областей.

Результатом стали массивы транзисторов, которые имели почти такую же электрическую производительность, когда они были растянуты и изогнуты, как когда они были не деформированы. Фактически, у них было менее пяти процентов вариации производительности при растяжении до 100 процентов деформации. Команда также использовала концепцию для проектирования и фабрикации других цепных частей, включая NOR-вентили, кольцевые осцилляторы и усилители. NOR-вентили используются в цифровых схемах, в то время как кольцевые осцилляторы используются в технологии радиочастотной идентификации (RFID). Делая эти части успешно растяжимыми, исследователи могли сделать еще более сложную электронику.

Разработанный ими растяжимый усилитель является одним из первых кожиподобных цепей, способных усиливать слабые электрофизиологические сигналы — до нескольких милливольт. Это важно для чувствования слабейших сигналов тела, как от мышц. Сигналы могут быть обработаны и усилены непосредственно на коже.

Дизайн оценивается как диагностический инструмент для БАС. Измеряя сигналы от мышц, исследователи надеются лучше диагностировать болезнь, получая знания о том, как болезнь влияет на тело. Они также надеются протестировать дизайн в электронике, которая может быть имплантирована в тело, и создать сенсоры для всех видов телесных сигналов.