Skórka elektroniczna
Skóra elektroniczna odnosi się do elastycznej , rozciągliwej i samonaprawiającej się elektroniki, która jest w stanie naśladować funkcje skóry ludzkiej lub zwierzęcej. Szeroka klasa materiałów często zawiera zdolności wyczuwania, które mają na celu odtworzenie zdolności ludzkiej skóry do reagowania na czynniki środowiskowe, takie jak zmiany temperatury i ciśnienia.
Postępy w badaniach skóry elektronicznej koncentrują się na projektowaniu materiałów, które są rozciągliwe, wytrzymałe i elastyczne. Badania w poszczególnych dziedzinach elastycznej elektroniki i wyczuwania dotykowego poczyniły znaczne postępy; jednak elektroniczne projektowanie skóry próbuje połączyć postępy w wielu obszarach badań materiałowych bez poświęcania indywidualnych korzyści z każdej dziedziny. Udane połączenie elastycznych i rozciągliwych właściwości mechanicznych z czujnikami i zdolnością do samoleczenia otworzyłoby drzwi do wielu możliwych zastosowań, w tym miękkiej robotyki , protetyki, sztucznej inteligencji i monitorowania zdrowia.
Ostatnie postępy w dziedzinie skór elektronicznych skupiły się na włączeniu ideałów ekologicznych materiałów i świadomości ekologicznej do procesu projektowania. Ponieważ jednym z głównych wyzwań stojących przed rozwojem skórek elektronicznych jest zdolność materiału do wytrzymania naprężeń mechanicznych i zachowania zdolności wykrywania lub właściwości elektronicznych, możliwość recyklingu i właściwości samoleczenia są szczególnie ważne w przyszłym projektowaniu nowych skórek elektronicznych.
Uleczalna skóra elektroniczna
Zdolności samoleczenia elektronicznej skóry mają kluczowe znaczenie dla potencjalnych zastosowań elektronicznej skóry w takich dziedzinach, jak miękka robotyka. Właściwe zaprojektowanie samonaprawiającej się skóry elektronicznej wymaga nie tylko wygojenia podłoża podstawowego, ale także przywrócenia wszelkich funkcji wyczuwania, takich jak wyczuwanie dotykowe lub przewodnictwo elektryczne. Idealnie byłoby, gdyby proces samoleczenia elektronicznej skóry nie opierał się na zewnętrznej stymulacji, takiej jak podwyższona temperatura, ciśnienie lub solwatacja. Samonaprawiająca się lub nadająca się do ponownego wyleczenia skóra elektroniczna jest często uzyskiwana za pomocą materiału na bazie polimeru lub materiału hybrydowego.
Materiały na bazie polimerów
W 2018 roku Zou i in. opublikował pracę na temat skóry elektronicznej, która jest w stanie zreformować wiązania kowalencyjne po uszkodzeniu. Grupa przyjrzała się usieciowanej sieci na bazie poliiminy, zsyntetyzowanej, jak pokazano na rycinie 1. E-skóra jest uważana za nadającą się do ponownego wyleczenia ze względu na „odwracalną wymianę wiązań”, co oznacza, że wiązania utrzymujące razem sieć są w stanie pęknąć i zreformować się w określonych warunkach takich jak solwatacja i ogrzewanie. Aspekt ponownego gojenia i ponownego użycia takiego materiału termoutwardzalnego jest wyjątkowy, ponieważ wiele materiałów termoutwardzalnych nieodwracalnie tworzy usieciowane sieci poprzez wiązania kowalencyjne. W sieci polimerowej wiązania utworzone podczas procesu gojenia są nie do odróżnienia od oryginalnej sieci polimerowej.
Wykazano również, że dynamiczne niekowalencyjne sieciowanie tworzy sieć polimerową, którą można ponownie wyleczyć. W 2016 roku Oh i in. przyjrzał się szczególnie polimerom półprzewodnikowym do tranzystorów organicznych. Odkryli, że włączenie 2,6-pirydynodikarboksyamidu (PDCA) do szkieletu polimeru może nadać zdolności samoleczenia w oparciu o sieć wiązań wodorowych utworzonych między grupami. Dzięki włączeniu PDCA do szkieletu polimeru materiały były w stanie wytrzymać do 100% naprężeń bez wykazywania oznak mikropęknięć. W tym przykładzie wiązania wodorowe są dostępne do rozpraszania energii wraz ze wzrostem odkształcenia.
Materiały hybrydowe
Sieci polimerowe są w stanie ułatwić dynamiczne procesy gojenia poprzez wiązania wodorowe lub dynamiczną chemię kowalencyjną. Jednak włączenie cząstek nieorganicznych może znacznie rozszerzyć funkcjonalność materiałów na bazie polimerów do elektronicznych zastosowań skóry. Wykazano, że włączenie mikrostrukturalnych cząstek niklu do sieci polimerowej (Rysunek 2) utrzymuje właściwości samonaprawiające w oparciu o ponowne tworzenie sieci wiązań wodorowych wokół cząstek nieorganicznych. Materiał jest w stanie odzyskać przewodnictwo w ciągu 15 sekund od pęknięcia, a właściwości mechaniczne są odzyskiwane po 10 minutach w temperaturze pokojowej bez dodatkowego bodźca. Materiał ten opiera się na wiązaniach wodorowych utworzonych między grupami mocznikowymi, gdy się dopasowują. Atomy wodoru grup funkcyjnych mocznika są idealnie usytuowane, aby tworzyć sieć wiązań wodorowych, ponieważ znajdują się w pobliżu grupy karbonylowej odciągającej elektrony. Ta sieć polimerowa z osadzonymi cząstkami niklu pokazuje możliwość wykorzystania polimerów jako supramolekularnych gospodarzy do opracowania samonaprawiających się przewodzących kompozytów.
Wykazano również, że elastyczne i porowate pianki grafenowe, które są ze sobą połączone w sposób trójwymiarowy, mają właściwości samoleczenia. Cienka warstwa z poli(N,N-dimetyloakrylamidu)-poli(alkoholu winylowego) (PDMAA) i zredukowanym tlenkiem grafenu wykazała wysoką przewodność elektryczną i właściwości samonaprawiające. Podejrzewa się, że zdolności lecznicze kompozytu hybrydowego wynikają z wiązań wodorowych między łańcuchami PDMAA, a proces gojenia jest w stanie przywrócić początkową długość i odzyskać właściwości przewodzące.
Skóra elektroniczna nadająca się do recyklingu
Zou i in . przedstawia interesujący postęp w dziedzinie elektronicznej skóry, który może być stosowany w robotyce, protetyce i wielu innych zastosowaniach w postaci w pełni nadającego się do recyklingu elektronicznego materiału skóry. Opracowana przez grupę e-skóra składa się z sieci kowalencyjnie związanych polimerów, które są termoutwardzalne, czyli utwardzane w określonej temperaturze. Jednak materiał nadaje się również do recyklingu i ponownego użycia. Ponieważ sieć polimerowa jest termoutwardzalna, jest stabilna chemicznie i termicznie. Jednak w temperaturze pokojowej materiał poliiminowy, z lub bez nanocząstek srebra, może zostać rozpuszczony w skali czasu kilku godzin. Proces recyklingu umożliwia rozpuszczenie urządzeń uszkodzonych w stopniu przekraczającym możliwości samoleczenia i uformowanie ich w nowe urządzenia (Rysunek 3). Ten postęp otwiera drzwi do niższych kosztów produkcji i bardziej ekologicznego podejścia do rozwoju e-skóry.
Elastyczna i rozciągliwa skóra elektroniczna
Zdolność skóry elektronicznej do wytrzymania odkształceń mechanicznych, w tym rozciągania i zginania bez utraty funkcjonalności, ma kluczowe znaczenie dla jej zastosowań w protetyce, sztucznej inteligencji, miękkiej robotyce, monitorowaniu zdrowia, biokompatybilności i urządzeniach komunikacyjnych. Elastyczna elektronika jest często projektowana poprzez osadzanie materiałów elektronicznych na elastycznych podłożach polimerowych, w ten sposób polegając na podłożu organicznym w celu nadania korzystnych właściwości mechanicznych. Do rozciągliwych materiałów e-skóry podjęto podejście z dwóch kierunków. Materiały hybrydowe mogą polegać na sieci organicznej w zakresie rozciągliwości, jednocześnie osadzając cząstki nieorganiczne lub czujniki, które z natury nie są rozciągliwe. Inne badania skupiły się na opracowaniu rozciągliwych materiałów, które mają również korzystne właściwości elektroniczne lub sensoryczne.
Zou i in. zbadali włączenie linkerów, które są opisane jako „serpentynowe” w ich matrycy poliiminowej. Te łączniki sprawiają, że czujniki e-skin mogą wyginać się wraz z ruchem i zniekształceniami. Wykazano również, że włączenie przekładek alkilowych do materiałów na bazie polimerów zwiększa elastyczność bez zmniejszania ruchliwości przenoszenia ładunku. Oh i in. opracowali rozciągliwy i elastyczny materiał na bazie 3,6-di(tiofen-2-ylo)-2,5-dihydropirolo[3,4- c ]pirolo-1,4-dionu (DPP) i niesprzężonego 2,6 -pirydynodikarboksyamid (PDCA) jako źródło wiązań wodorowych (Rysunek 4).
Wykazano również, że grafen jest odpowiednim materiałem do elektronicznych aplikacji skóry ze względu na swoją sztywność i wytrzymałość na rozciąganie. Grafen jest atrakcyjnym materiałem, ponieważ jego synteza do elastycznych podłoży jest skalowalna i opłacalna.
Przewodząca skóra elektroniczna
Rozwój przewodzącej skóry elektronicznej jest interesujący dla wielu zastosowań elektrycznych. Badania nad przewodzącą skórą elektroniczną przebiegały dwoma drogami: samonaprawiającymi się polimerami przewodzącymi lub osadzaniem przewodzących materiałów nieorganicznych w nieprzewodzących sieciach polimerowych.
Samonaprawiający się kompozyt przewodzący zsyntetyzowany przez Tee et al . (Rysunek 2) badali włączanie mikrostrukturalnych cząstek niklu do żywiciela polimerowego. Cząsteczki niklu przylegają do sieci dzięki korzystnym oddziaływaniom między natywną warstwą tlenku na powierzchni cząstek a polimerem wiążącym wodór.
Badano również nanocząsteczki pod kątem ich zdolności do nadawania przewodności elektronicznym materiałom skórnym. Zou i in. osadzone nanocząsteczki srebra (AgNPs) w matrycy polimerowej, dzięki czemu e-skóra przewodzi prąd. Proces gojenia tego materiału jest godny uwagi, ponieważ nie tylko przywraca właściwości mechaniczne sieci polimerowej, ale także przywraca właściwości przewodzące, gdy nanocząsteczki srebra zostały osadzone w sieci polimerowej.
Zdolność wykrywania elektronicznej skóry
Niektóre z wyzwań, przed którymi stoją elektroniczne czujniki skóry, obejmują kruchość czujników, czas regeneracji czujników, powtarzalność, przezwyciężenie obciążenia mechanicznego i długoterminową stabilność.
Czujniki dotykowe
Zastosowane ciśnienie można zmierzyć, monitorując zmiany rezystancji lub pojemności. Wykazano, że elektrody współpłaszczyznowe osadzone na jednowarstwowym grafenie zapewniają czułość na nacisk nawet przy 0,11 kPa poprzez pomiar zmian pojemności. Czujniki piezorezystancyjne również wykazały wysoki poziom czułości.
Ultracienkie matryce wykrywające dwusiarczek molibdenu zintegrowane z grafenem wykazały obiecujące właściwości mechaniczne umożliwiające wykrywanie ciśnienia. Modyfikacje organicznych tranzystorów polowych (OFET) okazały się obiecujące w elektronicznych aplikacjach skóry. Cienkie warstwy polidimetylosiloksanu o mikrostrukturze mogą elastycznie odkształcać się pod wpływem nacisku. Odkształcenie cienkiej warstwy pozwala na magazynowanie i uwalnianie energii.
Wizualna reprezentacja zastosowanego nacisku była jednym z obszarów zainteresowania w rozwoju czujników dotykowych. Grupa Bao z Uniwersytetu Stanforda zaprojektowała elektrochromowo aktywną elektroniczną skórę, która zmienia kolor przy różnym nacisku. Zastosowany nacisk można również wizualizować poprzez włączenie organicznych diod elektroluminescencyjnych z aktywną matrycą, które emitują światło po przyłożeniu nacisku.
Prototypowe e-skóry obejmują drukowaną elektroniczną skórę opartą na tranzystorze synaptycznym, zapewniającą wrażenia dotykowe podobne do skóry i wrażliwość na dotyk / ból dłoni robota, oraz wielowarstwową hydrożelową skórę robota, którą można naprawić.
Inne zastosowania czujników
Czujniki wilgotności zostały włączone do elektronicznego projektu skóry z zasiarczonymi foliami wolframowymi. Przewodność folii zmienia się wraz z różnymi poziomami wilgotności. Badano również nanowstążki krzemowe pod kątem ich zastosowania jako czujników temperatury, ciśnienia i wilgotności. Naukowcy z University of Glasgow poczynili postępy w opracowaniu e-skóry, która odczuwa ból w czasie rzeczywistym, z zastosowaniami w protetyce i bardziej realistycznych humanoidach.
System elektronicznej skóry i interfejsu człowiek-maszyna, który umożliwia zdalne wykrywanie dotykowe oraz wykrywanie wielu niebezpiecznych substancji i patogenów za pomocą urządzeń do noszenia lub robotów .