Elektronické vlákno z EPFL sa natiahne až desaťnásobne bez straty funkčnosti

Vývoj elektronického vlákna

Pojem ‘tekutý kov’ môže evokovať niečo nebezpečné, ako ortuť alebo roztavenú oceľ. V laboratóriu FIMAP na EPFL však znamená zmes india a gália, ktorá je netoxická, zostáva tekutá pri izbovej teplote a má veľký potenciál pre vývoj elektronických vlákien pre nositeľné zariadenia a robotické senzory. Bohužiaľ, ako vysvetľuje vedúci FIMAP Fabien Sorin, tekuté kovy sú extrémne ťažko spracovateľné a je obzvlášť náročné vyrobiť elektronické vlákna, ktoré kombinujú vysokú a stabilnú vodivosť s pružnosťou. Teraz laboratórium prekonalo túto výzvu použitím techniky nazývanej termálne ťahanie, ktorá sa tradične používa na výrobu optických vlákien. „Integrovali sme termálne ťahanie do výrazne zjednodušeného procesu výroby senzorov z vlákien s precízne prispôsobenými elektronickými vlastnosťami, čo z nich robí sľubných kandidátov pre inteligentné textílie na športové a zdravotné monitorovanie,“ hovorí Sorin. Tím použil svoju techniku, nedávno publikovanú v Nature Electronics, na vytvorenie inteligentnej kolennej ortézy, ktorá môže monitorovať pohyby a funkciu kĺbov používateľa počas aktivity.

Jednoduché, citlivé, pružné

Proces termálneho ťahania začína vytvorením makroskopickej verzie elektronického vlákna nazývanej preform, ktorá obsahuje komponenty tekutého kovu starostlivo usporiadané v 3D vzore. Preform sa potom zahreje a natiahne, ako roztavený plast, aby sa vytvorili vlákna s priemerom niekoľko stoviek mikrónov až milimetrov, ktoré si zachovávajú rovnaký 3D vzor. Stella Laperrousaz, doktorandka a prvá autorka, vysvetľuje, že tento vzor je jedným z kľúčov k inovácii tímu, pretože im umožňuje kontrolovať, ktoré oblasti jednotlivého vlákna sú aktívne (elektricky vodivé) alebo neaktívne (izolačné). „Keď sa tekutý kov zmieša s mäkkou elastomérovou matricou, vytvára mnoho malých kvapiek. Proces zahrievania a naťahovania preformy tieto kvapky rozbije a aktivuje tekutý kov. To znamená, že môžeme jemne doladiť funkčnosť jednotlivého vlákna kontrolou, ktoré oblasti sa stanú aktívnymi prostredníctvom šmykového napätia spôsobeného procesom naťahovania preformy.“ Experimenty ukázali, že vlákna tímu zostali vysoko citlivé aj pri natiahnutí na viac ako desaťnásobok pôvodnej dĺžky, čo dáva tejto technike významnú výhodu oproti iným metódam, ktoré zápasia s vyvážením elektrického výkonu s pružnosťou a ľahkosťou spracovania.

Inteligentná kolenná ortéza

Ako dôkaz konceptu vedci bezproblémovo integrovali svoje elektronické vlákna do mäkkej kolennej ortézy a potom zaznamenali výkon zariadenia, zatiaľ čo subjekt kráčal, bežal, drepoval a skákal. Ortéza spoľahlivo monitorovala uhol ohybu kolena nositeľa a dokonca bola schopná presne rekonštruovať jeho chôdzu počas behu. „Vďaka jednoduchosti integrácie by naše vlákno mohlo byť ľahko použité na monitorovanie pohybu a detekciu anomálií v iných kĺboch, ako sú členky, rameno alebo zápästie,“ hovorí Sorin, dodávajúc, že technika je tiež potenciálne vysoko škálovateľná. „Konvenčné elektronické zariadenia môžu byť príliš krehké alebo príliš tuhé na integráciu do textílií, ale naše vlákno by mohlo byť integrované do metrov - alebo dokonca kilometrov - textílie s dostatočným rozšírením, čo je to, na čom teraz pracujeme. Takáto textília by potom mohla byť použitá na výrobu nositeľných zariadení, mäkkých protéz alebo senzorov pre robotické končatiny."

Zdroj

Autor pôvodného článku: Celia Luterbacher

Zdroj: EPFL News

Originál: https://actu.epfl.ch/news/an-electronic-fiber-for-stretchable-sensing-2

Preklad a úprava: Redakcia robotika24

Licencia: CC BY-SA 4.0