Tetris pada selongsong: bahan permeabel gas untuk elektronik yang dapat dipakai

Elektronik yang dapat dipakai telah menjadi bagian integral dari kehidupan banyak orang modern. Dari gelang kebugaran dan jam tangan pintar hingga kacamata augmented reality dan kemeja pintar - jajaran perangkat yang ada berkisar dari futuristik yang bermanfaat hingga menyenangkan. Namun demikian, ketika datang ke sesuatu yang "dapat dipakai", selain fungsionalitas, Anda perlu memikirkan kenyamanan. Para ilmuwan dari University of North Carolina (AS) telah mengembangkan bahan permeabel gas baru untuk elektronik yang dapat dipakai, yaitu bisa bernafas. Teknik apa yang digunakan untuk membuat bahan baru, apa saja sifat-sifat prototipe yang diperoleh, dan seberapa jauh lebih nyaman memakai elektronik itu sendiri? Kami belajar tentang ini dari laporan para ilmuwan. Pergilah.

Dasar studi

Segala sesuatu yang kita kenakan pada diri kita lebih atau kurang permeabel gas. Ini karena kebutuhan untuk mematuhi fisiologi kita. Kulit manusia adalah elemen penting dari sistem ekskresi tubuh, memberikan output produk metabolisme melalui keringat. Oleh karena itu, memblokir pelaksanaan fungsi ini menggunakan bahan yang benar-benar "tertutup" bukanlah ide yang baik dalam kehidupan sehari-hari (pakaian dan peralatan khusus tidak masuk hitungan).

Mengenai elektronik yang dapat dipakai, tetapi dengan pengembangan dan transformasi dari gelang biasa menjadi elemen lemari pakaian yang hampir penuh, para ilmuwan mulai berpikir tidak hanya tentang sifat fisik bahan yang digunakan, yang penting untuk melakukan fungsi perangkat secara langsung, tetapi juga tentang properti yang berkontribusi pada kenyamanan pengguna.

Sebagian besar gadget modern yang dapat dikenakan, seperti yang dicatat oleh para peneliti sendiri, dibuat berdasarkan substrat polimer padat, seperti polydimethylsiloxane (PDMS), polyethylene terephthalate (PET) dan polyimide (PI). Dalam karya ini, para ilmuwan menggambarkan bahan baru yang tidak hanya memiliki konduktivitas dan fleksibilitas yang baik, seperti pada prekursor sebelumnya, tetapi juga permeabilitas gas yang baik.

Sudah ada upaya untuk membuat sesuatu yang serupa, tetapi semuanya menghadapi kesulitan tertentu selama produksi atau keterbatasan dalam penggunaan.

Misalnya, bahan ultra-tipis berbasiskan polivinil alkohol (PVA) telah dikembangkan relatif baru-baru ini. Permeabilitas gas bahan ini sangat baik, tetapi produksinya sangat sulit. Dengan kata lain, game ini tidak sebanding dengan lilinnya.

Ada juga pengembangan pada kawat nano perak (AgNW). Opsi ini memberikan stabilitas listrik yang tinggi, namun, kawat nano telanjang membatasi stabilitas jangka panjang.

Bahan unik lainnya adalah spons PDMS (polydimethylsiloxane) berdasarkan matriks gula. Masalahnya adalah ukuran partikel gula yang terbatas, yang membuatnya sulit untuk mendapatkan struktur mikro. Selain itu, metode ini tidak dapat digunakan untuk pembuatan film ultrathin.

Mengingat prototipe yang dijelaskan di atas, para ilmuwan ingin mengatakan bahwa membuat bahan yang benar-benar bagus yang menggabungkan semua sifat yang diperlukan, sambil mudah dibuat, cukup sulit. Namun, menurut mereka, mereka melakukannya.

Mereka memutuskan untuk tidak menemukan kembali roda, tetapi untuk menggabungkan perkembangan yang ada, sekaligus menghilangkan kekurangan mereka. Hasilnya, film konduktif tarik (mis., Fleksibel) diperoleh dengan memasukkan AgNW langsung di bawah permukaan film termoplastik poliuretan (TPU atau TPU) berpori yang dibuat dengan penguapan.

Metode penguapan adalah proses perakitan mandiri yang sederhana, efisien dan dapat diskalakan untuk pembuatan film polimer berpori tanpa memerlukan langkah-langkah kompleks seperti fotolitografi, penguapan vakum dan etsa.

Hasil penelitian

Gambar No. 1

Pada gambar 1a menunjukkan diagram proses pembuatan prototipe. Film berpori termoplastik poliuretan (TPU) diproduksi dengan metode penguapan, setelah itu AgNW (kawat nano perak) dimasukkan ke permukaan dengan pengepresan termal.

Dalam proses penguapan, peran pelarut dimainkan oleh tetrahydrofuran (THF). Selain itu, sejumlah kecil polietilen glikol (PEG) (TPU: PEG = 10: 1 berat) ditambahkan ke solusi untuk memfasilitasi perakitan tetesan air yang teratur.

Penguapan pelarut organik mendinginkan substrat. Kelembaban pada gilirannya mengembun pada substrat dan mengumpulkan sendiri di eliminator tetesan.

Para ilmuwan mencatat bahwa dalam keadaan normal, ikatan tetesan harus dihindari, yang dapat menyebabkan pembentukan struktur yang tidak teratur. Namun, dalam karya ini, pemulihan hubungan tetesan mempromosikan pembentukan melalui struktur berpori.

Seperti yang ditunjukkan pada 1b, ukuran pori dapat dikontrol dengan mengubah konsentrasi larutan. Konsentrasi yang lebih tinggi (2 wt.% TPU + 0,2 wt.% PEG) menghasilkan ukuran pori yang lebih kecil dan struktur pori yang lebih teratur, tetapi persentase pori-pori yang disumbat lebih tinggi (mis. Pori-pori yang tidak memenuhi perannya karena lokasinya). Di sisi lain, ketika konsentrasi terlalu rendah (1 wt.% TPU + 0,1 wt.% PEG), struktur yang dihasilkan cenderung lebih tidak teratur dengan diameter pori lebih dari 100 μm. Pori-pori besar seperti itu dapat dilihat dengan mata telanjang dan membatasi resolusi elektroda.

Setelah beberapa upaya, ditemukan bahwa konsentrasi optimal dari larutan adalah 1,5% berat TPU dan 0,15% berat PEG. Hasilnya, diperoleh struktur berpori yang seragam ( 1b dan 1e) Bentuk pori mendekati bulat dengan diameter ~ 40 μm, dan koefisien cakupan permukaan sekitar 39% ( 1e dan 1f ).

AgNW ditanamkan pada film TPU berpori dengan perendaman dalam larutan AgNW dan air. Yang penting, ukuran pori jauh lebih besar dari panjang AgNW (~ 20 μm). Mikroskopi ( 1c ) dari film AgNW / TPU berpori menunjukkan bahwa AgNW disimpan secara seragam pada permukaan TPU tanpa menghalangi pori-pori.

AgNW pada permukaan film TPU cukup mudah dipisahkan darinya, oleh karena itu perlu dilakukan perlakuan panas untuk mengatasi masalah ini. Titik lebur TPU adalah sekitar 130 ° C, oleh karena itu, diputuskan untuk menggunakan suhu 150 ° C untuk penekanan termal.

Dalam gambar 1d2dapat dilihat bahwa setelah penekan panas, sebagian besar AgNW tertanam langsung di dalam TPU, dan hanya sebagian kecil yang terpapar di permukaan. Perawatan ini juga mengurangi ketebalan film dari 6,8 μm menjadi 4,6 μm.


Gambar No. 2

Gambar 2a menunjukkan gambar optik dari film HP-AgNW / TPU berpori (HP - setelah perlakuan panas). Bagan 2bmenunjukkan resistensi film sebagai fungsi dari jumlah siklus pencelupan (yaitu, jumlah siklus penggabungan AgNW). Perlawanan menurun hanya setelah empat siklus pertama, setelah itu tetap stabil, mencapai sekitar 14,5 Ohm / sq (Ohm per persegi). Oleh karena itu, dalam proses pembuatan film digunakan 4 siklus aplikasi. Perlakuan panas tekan selanjutnya mengurangi resistensi, yang dapat dijelaskan dengan peningkatan kontak dalam senyawa AgNW yang disebabkan oleh tekanan dan anil termal. Misalnya, setelah perlakuan panas, resistensi film menurun menjadi 7,3 Ohm / sq.

Struktur berpori film menyebabkan peningkatan transparansi optik dibandingkan dengan film padat. Transmisi optik adalah 72% pada 550 nm untuk film TPU berpori ( 2c) dan menurun hingga 63% setelah dilapisi dengan AgNW. Transmitansi selanjutnya dikurangi menjadi 61% setelah penekanan termal karena lebar film TPU sedikit meningkat.

Selanjutnya, transmisi uap air diperkirakan berdasarkan ASTM E96. Seperti yang diharapkan, film TPU berpori menunjukkan permeabilitas uap yang ditingkatkan secara signifikan dibandingkan dengan film tanpa struktur berpori ( 2d ). Tingkat transmisi uap air adalah: 2 mg / cm ² jam ^-1 untuk film TPU padat; 38 mg / cm ² jam ^-1 untuk film TPU berpori; 36 mg / cm ² jam ^-1 untuk AgNW / TPU berpori dan 23 mg / cm ² jam ^-1untuk HP-AgNW / TPU keropos.

Para peneliti telah menyarankan bahwa peningkatan permeabilitas uap juga meningkatkan ketahanan aus material. Untuk menguji hipotesis ini, uji keausan jangka panjang dilakukan ketika sebuah film dikenakan pada kulit. Setelah 7 hari dipakai pada kulit seseorang, tidak ada reaksi alergi dan penumpukan keringat. Tidak ada perbedaan yang diamati antara area kulit yang ditutupi dengan film dan area di sekitar area kontak.

Jelas bahwa struktur berpori memungkinkan keringat dan kelembaban menembus film, mengurangi kemungkinan iritasi kulit dan meningkatkan kenyamanan pakai dan ketahanan aus.

Selanjutnya, film-film tersebut dicelupkan dalam larutan garam untuk menunjukkan stabilitas jangka panjang dalam kontak dengan keringat ( 2e) Setelah 100 jam, ketahanan film AgNW / TPU berpori dan HP-AgNW / TPU berpori meningkat masing-masing sebesar 60% dan 15%.

Tes pengupasan dilakukan antara film dan pita perekat ( 2f ) dan antara film dan kulit. Gambar 2f juga menunjukkan bahwa film AgNW / TPU dapat dengan mudah dikupas menggunakan pita (gambar di sebelah kanan menunjukkan AgNW ditransfer ke pita perekat), sedangkan film HP-AgNW / TPU jauh lebih stabil.

Selain itu, film AgNW / TPU kehilangan konduktivitas setelah uji peeling, sementara film HP-AgNW / TPU mempertahankan konduktivitas.

Setelah mengeluarkan film AgNW / TPU dari kulit, beberapa AgNW masih tertinggal di kulit. Tetapi tes serupa dengan film HP-Ag NW / TPU menunjukkan bahwa tidak ada partikel AgNW pada kulit.

Oleh karena itu perlakuan panas dapat secara efektif meningkatkan konduktivitas dan stabilitas film selama penggunaan yang lama.

Dengan menggabungkan AgNW di bawah permukaan film TPU, film berpori HP-AgNW / TPU menunjukkan peningkatan adhesi yang signifikan antara AgNW dan TPU dan karenanya stabilitas, dengan pengurangan yang dapat diterima dalam transmisi optik dan permeabilitas uap.

Perlu dicatat bahwa film HP-AgNW / TPU tidak hanya konduktif pada permukaan, tetapi juga dalam arah ketebalan. Sisi atas dan bawah film bersifat konduktif secara elektrik, sementara mereka juga dihubungkan oleh kawat nano perak di tepi pori melalui ketebalan. Dengan demikian, film bertindak sebagai bahan konduktif massal, tetapi tidak memerlukan sejumlah besar pengisi konduktif, yang dapat menyebabkan penurunan sifat mekanik.


Uji dengan LED.

Untuk menunjukkan sifat ini, film dihubungkan ke sirkuit LED dan digunakan sebagai konduktor dua sisi. Dua tetes logam cair diaplikasikan pada dua sisi film untuk dihubungkan dengan LED. LED menyala menunjukkan bahwa kedua sisi film konduktif dan terhubung secara listrik.


Image No. 3

Karena sifat fisiknya, film HP-AgNW / TPU dapat mengambil berbagai bentuk dengan memotong laser. Gambar 3a menunjukkan elektroda film yang terstruktur menjadi struktur serpentin filamen dengan lebar garis 0,5 mm. Dalam hal ini, film tetap ultra-tipis, yang memastikan kontak erat dengan kulit.


Prosedur untuk menerapkan film HP-AgNW / TPU ke kulit.

Film ini sepenuhnya dipulihkan setelah kompresi, pelintiran dan deformasi lain yang mungkin terjadi dengannya saat berada di kulit. Jika perlu, film HP-AgNW / TPU dapat dikeluarkan dari kulit menggunakan selotip dan digunakan kembali.


Prosedur Penghapusan HP-AgNW / TPU Menggunakan Pita Perekat Sederhana.

Grafik 3b menunjukkan dinamika resistensi tergantung pada peregangan film. Pada ketegangan 5% pada film, resistansi berlipat ganda. Saat melepas tegangan (deformasi), resistansi turun 10%. Dalam siklus berikutnya, di mana peregangan film dan keadaan normalnya berganti-ganti, resistensi hampir selalu tetap konstan dan reversibel.

Jika deformasi adalah 10% dan 15%, maka resistansi meningkat sekitar 4 dan 7 kali, masing-masing, dibandingkan dengan nilai awal. Meskipun terjadi fluktuasi yang signifikan, tren yang menarik dicatat - pada setiap tingkat deformasi, film dapat "diprogram" selama peregangan pertama, setelah itu resistensi akan berubah secara terbalik dalam kisaran yang ditentukan oleh peregangan pertama. Dengan kata lain, itu adalah siklus deformasi pertama yang memainkan peran paling penting, yang menetapkan "ritme" perubahan resistensi untuk siklus berikutnya.

Akibatnya, setelah 1000 siklus deformasi (10%), resistansi meningkat kurang dari 7%. Tes ini juga menunjukkan bahwa film ini benar-benar sangat fleksibel. Jadi, ketika film ditekuk ke kelengkungan 0,55 mm-1, resistensi meningkat hanya 0,8% ( 3s) Dan setelah 10.000 siklus bengkok, resistansi meningkat sebesar 0,7% ( 3d ). Film HP-AgNW / TPU mempertahankan konduktivitasnya hingga 45%. Dan kehancuran film hanya terjadi dengan deformasi 350%.

Para ilmuwan mencatat bahwa perkembangan mereka sangat baik untuk pemantauan sinyal elektrofisiologis secara terus menerus. EKG umumnya digunakan untuk mendiagnosis gangguan irama jantung, sedangkan EMG dapat digunakan untuk menganalisis tingkat stimulasi, neuropati otot, dan perilaku motorik.

Dalam pengukuran EKG dan EMG (elektrokardiografi dan elektromiografi), kontak konformal dan impedansi elektroda kulit rendah sangat penting untuk mendapatkan rasio signal-to-noise yang tinggi, yaitu. untuk mendapatkan informasi yang paling akurat.

Untuk mengevaluasi kontak antara elektroda HP-AgNW / TPU berpori dan kulit, kami menggunakan kulit buatan yang terbuat dari Exoflex, yang hampir identik dengan kulit manusia dan memiliki modulus Young yang sama.


Gambar No. 4

Gambar 4a menunjukkan elektroda setelah dipindahkan ke kulit buatan. Mikroskopi dengan jelas menunjukkan bahwa elektroda ultrathin membentuk kontak (dekat) dengan kulit.

Resistensi kompleks dari elektroda berpori HP-AgNW / TPU awal dan diperluas hanya sedikit lebih tinggi dari elektroda gel Ag / AgCl komersial ( 4d), dan lebih rendah dari film AgNW / PDMS padat (tebal 0,2 mm). Ini karena kualitas kontak film dengan kulit. Ketebalan yang lebih kecil dan peningkatan fleksibilitas film HP-AgNW / TPU mengurangi kekakuan lentur, menghasilkan kontak yang lebih sesuai daripada film padat AgNW / PDMS.

Selanjutnya, sinyal EKG dan EMG yang diperoleh dengan menggunakan elektroda berpori HP-AgNW / TPU dibandingkan dengan sinyal yang diperoleh dengan menggunakan elektroda gel Ag / AgCl komersial ( 4e dan 4f ). Lokasi elektroda untuk tes EKG dan EMG ditunjukkan masing-masing dalam 4b dan 4c .

Dalam kasus EKG, elektroda berpori HP-AgNW / TPU memberikan sinyal yang sebanding kualitasnya dengan elektroda gel. SNR yang diukur (rasio signal-to-noise) untuk EKG oleh HP-AgNW / TPU elektroda berpori adalah 7,0 dB, yang sebanding dengan elektroda gel (7,1 dB).

Dalam kasus pergerakan konstan, kualitas sinyal memburuk, dan nilai SNR turun menjadi 6,3 dB untuk keropos dan 6,2 dB untuk elektroda gel.

Karena EMG, seseorang dapat dengan jelas membedakan sinyal yang sesuai dengan kontraksi otot untuk kekuatan cengkeraman yang berbeda. Patut dicatat bahwa sinyal elektroda HP-AgNW / TPU berpori lebih lemah daripada elektroda gel, tetapi ini disebabkan oleh susunan berbeda dari elektroda dari dua jenis (elektroda dari kedua jenis digunakan secara bersamaan). Nilai SNR untuk EMG dengan elektroda berpori adalah 24,9 dB, yang sebanding dengan SNR untuk elektroda gel (25,9 dB).

Perlu dicatat bahwa elektroda berpori, tidak seperti elektroda gel komersial, tidak memerlukan gel konduktif. Kurangnya gel selama pengumpulan data meningkatkan kualitasnya karena tidak ada faktor seperti degradasi gel. Dengan mempertimbangkan permeabilitas gas dari film yang dikembangkan, percobaan ini juga mengilustrasikan kemungkinan menggunakan elektroda berpori HP-AgNW / TPU untuk pemantauan kondisi manusia jangka panjang yang berkesinambungan.

Kulit manusia bukan satu-satunya tempat di mana elektroda maju dapat ditempatkan. Opsi kedua adalah tekstil.


Gambar No. 5

Gambar 5a menunjukkan diagram sensor sentuh kapasitif. Pada 5b menunjukkan nilai kapasitansi ketika sensor disentuh dan ditekan.

Selain itu, sensitivitas sistem sensor sentuh didefinisikan sebagai tingkat perubahan nilai baca ketika sentuhan terjadi. Dalam sistem ini, sensitivitasnya adalah 86%. Stabilitas, pada gilirannya, didefinisikan sebagai varian dari pembacaan sensor sentuh, yaitu sekitar 1,65. Rasio sinyal terhadap noise adalah 35: 1, dan waktu respons kurang dari 0,1 detik.

Untuk merakit sistem sensor sentuh nirkabel ( 5c ), sepotong film HP-AgNW / TPU 50x100 mm diintegrasikan ke dalam selongsong kain dan ditampilkan sebagai empat tombol sentuh menggunakan pemotongan laser. Masing-masing tombol memiliki fungsinya sendiri: kiri, bawah, rotasi dan kanan.


Tetris di lengan.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu.

Epilog

Teknologi modern telah lama dikaitkan tidak hanya dengan fungsionalitas, tetapi juga dengan kenyamanan dalam penggunaan. Tidak terkecuali elektronik yang dapat dikenakan. Sebagian besar bahan modern yang digunakan untuk produksi gadget yang dapat dikenakan sempurna melakukan fungsi dasar mereka, tetapi tanpa beberapa detail kecil, tetapi sangat penting. Salah satu detailnya adalah permeabilitas gas, yang memberikan keringat gratis jika pemakaian perangkat dalam jangka panjang pada kulit.

Film HP-AgNW / TPU yang dikembangkan memiliki banyak pori yang dipesan. Desain seperti itu tidak banyak mempengaruhi sifat fisik film, sambil tetap mempertahankan kemampuan untuk sepenuhnya melakukan tugas-tugas utama.

Selama penelitian, beberapa prototipe dibuat, menunjukkan berbagai aplikasi HP-AgNW / TPU. Prototipe pertama bertujuan mengumpulkan informasi penting tentang status kesehatan pengguna. Yang kedua adalah penggunaan film HP-AgNW / TPU yang hampir lucu untuk membuat gamepad Tetris nirkabel. Dalam kedua kasus, prototipe menunjukkan hasil yang sangat baik, dan film berpori dalam karakteristik dan kinerjanya sebanding dengan opsi komersial yang saat ini digunakan.

Di masa depan, para peneliti berniat untuk melanjutkan pekerjaan mereka pada bahan yang dapat ditembus oleh gas, karena mereka percaya bahwa penggunaan gadget apa pun yang dapat dikenakan harus nyaman. Anda tidak bisa membantahnya.

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu dan selamat bekerja, kawan. :)

Sedikit iklan :)

Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman Anda, cloud VPS untuk pengembang dari $ 4,99 , analog unik dari server entry-level yang diciptakan oleh kami untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps mulai dari $ 19 atau cara membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas c menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?