پژوهشگران مؤسسه ویس دانشگاه هاروارد با ترکیب چاپ دقیق جوهرهای رسانای کشسان و مونتاژ قطعات الکترونیکی، روشی جدید برای ایجاد حسگرهای منعطف و پوشیدنی توسعه دادند. برای آشنایی با این روش با مجله فناوری‌های توان‌افزا و پوشیدنی همراه باشید.

پوست انسان باید انعطاف‌پذیر و کشسان باشد تا بتواند با هر حرکت بدن تطبیق پیدا کند. هر چیزی که روی بدن پوشیده می‌شود نیز باید در اطراف عضلات و مفاصل انعطاف‌پذیر باشد. این موضوع توضیح می‌دهد که چرا پارچه‌های مصنوعی همچون اسپندکس محبوب هستند. دستگاه‌های الکترونیکی پوشیدنی که هدف آنها پیگیری و اندازه‌گیری حرکات بدن است نیز باید خواصی مشابه داشته باشند. در عین حال ترکیب اجزای الکترونیکی سفت و محکم و موادی که شبیه پوست است همواره چالش برانگیز بوده است. چنین اجزایی قابلیت کشش ندارند و این عدم انطباق در انعطاف‌پذیری موجب ایجاد فشار در اتصال بین عناصر سخت و نرم می‌شود و بیشتر دستگاه‌های پوشیدنی را با شکست مواجه می‌کند.

پژوهشگران مؤسسه Wyss و دانشکده علوم مهندسی و کاربردی John A. Paulson هاروارد (SEAS) و آزمایشگاه تحقیقاتی نیروی هوایی ایالات متحده، یک روش تولید افزودنی جدید برای قطعات الکترونیکی نرم به نام چاپ سه بعدی ترکیبی توسعه دادند. در این روش از جوهر نرم و رسانای الکتریکی و قطعات سخت برای ساخت یک دستگاه انعطاف‌پذیر استفاده می‌شود. Alex Valentine نخستین نویسنده مقاله می‌گوید: «با استفاده از این روش، ما می‌توانیم حسگر الکترونیکی را مستقیماً بر روی مواد چاپ کنیم، قطعات الکترونیکی را مونتاژ کنیم و اتصال‌های هادی که مدارهای الکترونیکی لازم برای خواندن سیگنال‌های حسگر را کامل می‌کند نیز چاپ کنیم». این مطالعه در Advanced Materials منتشر شده است.

جوهر رسانای کشسان از پلی یورتان ترموپلاستیک (TPU)، پلاستیک انعطاف‌پذیری که با تکه‌های کوچک نقره مخلوط شده، ساخته شده است. هر دو جوهر TPU خالص و TPU نقره‌ای چاپ می‌شوند تا به ترتیب زیربنای نرم و الکترودهای رسانای دستگاه ایجاد شود. Valentine توضیح می‌دهد: «از آنجا که هر دو زیربنا و الکترودها حاوی TPU هستند، زمانی که آنها به صورت لایه لایه با هم چاپ می‌شوند، پیش از خشک شدن محکم به یکدیگر متصل می‌شوند. پس از تبخیر حلال، هر دو جوهر جامد شده، تشکیل یک سامانه یکپارچه می‌دهند که هم انعطاف‌پذیر و هم قابل کشش است».

Will Boley، یکی از پژوهشگران آزمایشگاه لوئیس در SEAS که در این مقاله مشارکت داشته، گفت: «از آنجا که جوهر و زیربنا به صورت سه بعدی چاپ می‌شوند، ما کنترل کاملی روی مکانیزم‌های هدایت الکتریکی داریم و می‌توانیم مدارها را برای ایجاد دستگاه‌های الکترونیکی تقریباً با هر اندازه و شکلی طراحی کنیم».

حسگرهای نرم که متشکل از مواد رسانا هستند و تغییرات در هدایت الکتریکی را تشخیص می‌دهند هنگامی که کشیده می‌شوند (چگونگی تشخیص حرکت) با یک میکروکنترلر قابل برنامه‌ریزی همراه می‌شوند تا داده‌ها را پردازش کند. همچنین یک دستگاه داده‌ها را به فرمی که برای انسان قابل فهم باشد، تبدیل می‌کند.

از آنجا که این اجزای الکترونیکی (برای نمونه LEDها، مقاومت‌ها و میکرو تراشه‌ها) طبیعتاً سخت و سفت هستند، گروه از خواص چسبندگی TPU بهره برد و یک نقطه از جوهر TPU را در زیر هر مؤلفه پیش از اتصال آن به لایه‌های زیرین قرار داد. پس از خشک شدن، نقاط TPU برای مهار این اجزای سفت و سخت و توزیع فشار در کل ماتریس به کار می‌آید و اجازه می‌دهد اجزا با حفظ عملکرد، ۳۰٪ کشش داشته باشند. یک دستگاه متشکل از ۱۲ LED روی یک ورق مسطح TPU با استفاده از این روش ساخته شده که قادر است بدون کاهش شدت نور و یا شکست مکانیکی، به شکل استوانه خم شود.

این گروه دو دستگاه نرم الکترونیکی را برای نشان دادن توانایی‌های کامل این روش تولید افزودنی ایجاد کرد. یک حسگر فشار که با استفاده از چاپ TPU و الکترودهای جوهر نقره‌ای TPU بر روی یک پایه پارچه‌ای و با استفاده از یک میکروکنترلر و LED‌ ساخته شد. در نتیجه یک دستگاه پوشیدنی شبیه آستین از طریق چراغ‌های LEDها می‌تواند نشان دهد که چقدر بازو خم می‌شود. دستگاه دوم، حسگر فشار به شکل رد پای فرد است که با چاپ متناوب لایه‌های الکترود TPU نقره‌ای هادی و TPU عایق برای ایجاد خازن‌های الکتریکی بر روی یک بستر TPU نرم ایجاد شده است. تغییر الگوها توسط یک سامانه الکتریکی دستی پردازش شده تا هنگامی که شخص پایش را روی حسگر قرار می‌دهد یک نقشه‌ی گرمایی از پا ایجاد شود.

در حالی که گروه همچنان برای بهینه‌سازی مواد و روش‌های آنها تلاش می‌کنند، چاپ سه بعدی به طور گسترده‌ای برای ساخت دستگاه‌های بی شمار الکترونیکی استفاده می‌شود. Lewis، یکی از اعضای اصلی مؤسسه ویس می‌گوید: «ما پالت‌های مواد الکترونیکی قابل چاپ را گسترش و چارچوب‌های چاپ چندین ماده را برای مونتاژ قطعات الکترونیکی توسعه دادیم. ما بر این باوریم که این یک گام مهم در راستای تولید لوازم الکترونیکی سفارشی و پوشیدنی است که کم هزینه و از لحاظ مکانیکی قوی هستند».

Don Ingber، مدیر مؤسسه ویس گفت: «این روش جدید، نمونه خوبی از نوع کار متقابل بین رشته‌ای است که مؤسسه ویس را از بسیاری از آزمایشگاه‌های تحقیقاتی دیگر متمایز می‌کند. با ترکیب دقیق چاپ سه بعدی با قابلیت برنامه‌ریزی دیجیتال قطعات الکترونیکی، ما به معنای واقعی کلمه آینده را ساختیم».

بیشتر بخوانید:

>>ساخت حسگرهای نرم و منعطف برای ربات های پوشیدنی

>>ساخت ماده انعطاف‌پذیر خودترمیم شونده برای فناوری‌های پوشیدنی

منبع: wyss.harvard.edu

«استفاده و بازنشر مطالب تنها با ذکر لینک منبع و نام (مجله فناوری‌های توان‌افزا و پوشیدنی) مجاز است»