Stanford Universitiy
Raziskovalci na Stanfordu so razvili mehka integrirana vezja, ki so dovolj zmogljiva, da lahko poganjajo zaslon z mikro LED-icami, in dovolj majhna, da lahko na enem kvadratnem centimetru preberejo na tisoče senzorjev.
Majhna nosljiva ali vsadljiva elektronika bi lahko pomagala spremljati naše zdravje, diagnosticirati bolezni in omogočila izboljšano, samostojno zdravljenje. Da pa bi to dosegli brez poslabšanja ali poškodovanja celic, ki jih obkrožajo, se bo morala ta elektronika med gibanjem ne le upogibati in raztezati skupaj z našimi tkivi, temveč bo morala biti tudi dovolj mehka, da ne bo opraskala in poškodovala tkiv.
Notranje raztegljivi tranzistorji in integrirana vezja, ki se po sprostitvi s podporne podlage močno deformirajo. (vir: Donglai Zhong, Jiancheng Lai in Yuya Nishio iz skupine Bao na Univerzi Stanford)
Raziskovalci na Stanfordu se že več kot desetletje ukvarjajo z raztegljivimi elektronskimi napravami, ki so podobne koži. V članku, objavljenem v reviji Nature, so predstavili novo zasnovo in postopek izdelave koži podobnih integriranih vezij, ki so petkrat manjša in delujejo pri tisočkrat višjih hitrostih kot prejšnje različice. Raziskovalci so pokazali, da so njihova mehka integrirana vezja zdaj sposobna poganjati zaslon z mikro LED-icami in zaznati Braillovo pisavo s senzorjem, ki je občutljivejši od konic človeških prstov.
„Naredili smo velik korak naprej. Prvič se je zgodilo, da so raztegljiva integrirana vezja zdaj dovolj majhna in hitra za številne aplikacije,“ je dejal Zhenan Bao, profesor kemijskega inženirstva K. K. Lee na Stanfordu in glavni avtor članka. „Upamo, da bodo tako nosljivi senzorji ter vsadljive nevronske in črevesne sonde postali bolj občutljivi, da bo delovalo več senzorjev in da bodo potencialno porabili manj energije.“
Tranzistorsko polje visoke gostote, pritrjeno na eno samo belo sezamovo seme s 1 000 tranzistorji na površini 1 mm2 na konici prsta. (vir: Donglai Zhong in Jiancheng Lai iz skupine Bao na Univerzi Stanford)
Prilagodljivo, raztegljivo in funkcionalno
Jedro vezij so raztegljivi tranzistorji, izdelani iz polprevodniških ogljikovih nanocevk in mehkih elastičnih elektronskih materialov, razvitih v Baovem laboratoriju. Za razliko od silicija, ki je trd in krhek, imajo ogljikove nanocevke, vstavljene med elastične materiale, mrežasto strukturo, ki jim omogoča, da delujejo tudi, ko se raztezajo in deformirajo. Tranzistorji in vezja so skupaj z raztegljivim polprevodniškim, prevodnim in dielektričnim materialom nanizani na raztegljivo podlago.
„To je večletni razvoj materialov in inženiringa,“ je dejal Bao. „Ne samo, da smo morali razviti nove materiale, ampak smo morali razviti tudi zasnovo vezja in postopek za izdelavo vezij. Veliko plasti je zloženih skupaj in če ena plast ne deluje, moramo vse skupaj začeti znova od začetka.“
Pri eni od predstavitev nove raztegljive elektronske zasnove so raziskovalci na kvadratni centimeter lahko namestili več kot 2.500 senzorjev in tranzistorjev ter tako ustvarili taktilno matriko z aktivno matrico, ki je več kot desetkrat bolj občutljiva kot človeški prsti. Raziskovalci so pokazali, da lahko senzorska matrika zazna lokacije in usmerjenost drobnih oblik ali prepozna cele besede v Braillovi pisavi.
„Pri Braillovi pisavi običajno zaznavamo po eno črko naenkrat,“ je povedal Donglai Zhong, podoktorski raziskovalec v Baovem laboratoriju in soavtor članka. „S tako visoko ločljivostjo bi lahko z enim samim dotikom zaznali celotno besedo ali morda celoten stavek.“
Raziskovalci so s svojimi raztegljivimi vezji poganjali tudi zaslon z mikro LED-icami s frekvenco osveževanja 60 Hz, kar je tipična frekvenca osveževanja računalniškega ali televizijskega zaslona. Prejšnje različice raztegljivih vezij pri majhnih velikostih niso bile dovolj hitre, da bi ustvarjale dovolj toka za to nalogo
„Zelo smo navdušeni nad temi izboljšavami zmogljivosti, saj nam omogočajo veliko novih stvari,“ je povedal Can Wu, podoktorski raziskovalec v Baovem laboratoriju in soavtor članka. „Preliminarni rezultati kažejo, da je mogoče naš tranzistor uporabiti za krmiljenje komercialnih zaslonov, ki se običajno uporabljajo na primer v računalniških monitorjih. Pri biomedicinskih aplikacijah pa bi lahko z visoko gostoto, mehko in prilagodljivo matriko zaznavali signale človeškega telesa, na primer iz možganov in mišic, v velikem obsegu in s fino ločljivostjo. To bi lahko privedlo do naslednje generacije vmesnikov med možgani in strojem, ki bi bili visoko zmogljivi in biokompatibilni.“
Mehka elektronika za prihodnost
Raziskovalci so namenoma razvili materiale in postopke, ki bi lahko delovali z obstoječimi orodji za izdelavo, da bi vezja lažje prešla v komercialno proizvodnjo. Njihov postopek temelji na tehnikah izdelave, podobnih tistim, ki se trenutno uporabljajo za izdelavo zaslonov, čeprav so uporabljeni materiali povsem drugačni. Proizvajalci teh vezij ne bi mogli izdelati brez dodatnih prilagoditev, vendar so orodja že na voljo, je dejal Bao.
Seveda je še več ovir, preden bodo ta raztegljiva in mehka integrirana vezja pripravljena za komercializacijo. Gibanje telesa in tkiv lahko še vedno povzroči določena odstopanja v električnih lastnostih vezij – Bao in njeni sodelavci delajo na novih zasnovah, ki bi lahko zmanjšale te učinke – in naprave bodo potrebovale nekakšno mehko zaščito pred vlago, preden jih bo mogoče začeti uporabljati.
„Prihodnost te tehnologije je še vedno polna izzivov, vendar ta nedavni razvoj odpira nekaj zelo zanimivih biomedicinskih aplikacij za nosljivo in vsadljivo elektroniko,“ je dejal Bao. „Uporablja se tudi v mehki robotiki, saj robotom omogoča zaznavanje, ki se približuje človeškemu, zaradi česar je delo z njimi varnejše za ljudi.“
Povzeto po:
https://news.stanford.edu/stories/2024/03/advancing-toward-weara
