Электронная кожа

Электронная кожа относится к гибкой , растягивающейся и самовосстанавливающейся электронике, которая способна имитировать функциональные возможности кожи человека или животного. ^{[1] [2]} Широкий класс материалов часто содержит сенсорные способности, которые предназначены для воспроизведения возможностей человеческой кожи реагировать на факторы окружающей среды, такие как изменения температуры и давления. ^{[1] [2] [3] [4]}

Достижения в области исследований электронной кожи сосредоточены на разработке материалов, которые являются эластичными, прочными и гибкими. Исследования в отдельных областях гибкой электроники и тактильных ощущений значительно продвинулись; однако, проектирование электронной кожи пытается объединить достижения во многих областях исследования материалов, не жертвуя индивидуальными преимуществами каждой области. ^[5] Успешное сочетание гибких и растяжимых механических свойств с датчиками и способностью к самовосстановлению откроет двери для многих возможных приложений, включая мягкую робототехнику , протезирование, искусственный интеллект и мониторинг здоровья. ^{[1] [5] [6] [7]}

Недавние достижения в области электронной кожи были сосредоточены на включении идеалов зеленых материалов и экологической осведомленности в процесс проектирования. Поскольку одной из основных проблем, стоящих перед разработкой электронной кожи, является способность материала выдерживать механическую нагрузку и сохранять сенсорную способность или электронные свойства, способность к переработке и самовосстановлению особенно важны в будущем проектировании новых электронных оболочек. ^[8]

Способность электронной кожи к самовосстановлению имеет решающее значение для потенциального применения электронной кожи в таких областях, как мягкая робототехника. ^[7] Правильная конструкция самовосстанавливающейся электронной кожи требует не только восстановления базового субстрата, но и восстановления любых сенсорных функций, таких как тактильное восприятие или электропроводность. ^[7] В идеале процесс самовосстановления электронной кожи не зависит от внешней стимуляции, такой как повышенная температура, давление или сольватация. ^{[1] [7] [8]} Самовосстанавливающаяся или повторно восстанавливающаяся электронная кожа часто достигается с помощью полимерного материала или гибридного материала.

В 2018 году Цзоу и др. опубликовали работу об электронной коже, способной восстанавливать ковалентные связи при повреждении. ^[8] Группа рассмотрела сшитую сеть на основе полиимина, синтезированную, как показано на рисунке 1. Электронная кожа считается восстанавливаемой из-за «обратимого обмена связями», что означает, что связи, удерживающие сеть вместе, способны разрушаться и восстанавливаться при определенных условиях, таких как сольватация и нагревание. Аспект восстанавливаемости и повторного использования такого термореактивного материала уникален, поскольку многие термореактивные материалы необратимо образуют сшитые сети через ковалентные связи. ^[9] В полимерной сети связи, образованные в процессе заживления, неотличимы от исходной полимерной сети.

Также было показано, что динамическое нековалентное сшивание формирует полимерную сеть, которая может восстанавливаться. В 2016 году О и др. изучали конкретно полупроводниковые полимеры для органических транзисторов. ^[10] Они обнаружили, что включение 2,6-пиридин дикарбоксамида (PDCA) в полимерную основу может придать способность к самовосстановлению на основе сети водородных связей, образованных между группами. При включении PDCA в полимерную основу материалы могли выдерживать до 100% деформации без проявления признаков микромасштабного растрескивания. В этом примере водородные связи доступны для рассеивания энергии по мере увеличения деформации.

Полимерные сети способны облегчать динамические процессы заживления посредством водородных связей или динамической ковалентной химии. ^{[8] [10]} Однако включение неорганических частиц может значительно расширить функциональность материалов на основе полимеров для электронных приложений кожи. Было показано, что включение микроструктурированных частиц никеля в полимерную сеть (рисунок 2) сохраняет свойства самовосстановления, основанные на реформировании сетей водородных связей вокруг неорганических частиц. ^[7] Материал способен восстанавливать свою проводимость в течение 15 секунд после разрыва, а механические свойства восстанавливаются через 10 минут при комнатной температуре без дополнительного стимула. Этот материал полагается на водородные связи, образованные между группами мочевины, когда они выравниваются. Атомы водорода функциональных групп мочевины идеально расположены для образования сети водородных связей, поскольку они находятся рядом с электроноакцепторной карбонильной группой. ^[11] Эта полимерная сеть с внедренными частицами никеля демонстрирует возможность использования полимеров в качестве супрамолекулярных хозяев для разработки самовосстанавливающихся проводящих композитов. ^[7]

Гибкие и пористые графеновые пены, которые соединены между собой в 3D-образной манере, также, как было показано, обладают свойствами самовосстановления. ^[4] Тонкая пленка с поли(N,N-диметилакриламидом)-поли(виниловым спиртом) (PDMAA) и восстановленным оксидом графена продемонстрировала высокую электропроводность и свойства самовосстановления. Предполагается, что способность гибридного композита к самовосстановлению обусловлена ​​водородными связями между цепями PDMAA, а процесс восстановления способен восстановить первоначальную длину и восстановить проводящие свойства. ^[4]

Zou et al . представляет интересное достижение в области электронной кожи, которая может быть использована в робототехнике, протезировании и многих других приложениях в виде полностью перерабатываемого электронного материала кожи. ^[8] Разработанная группой электронная кожа состоит из сети ковалентно связанных полимеров, которые являются термореактивными, то есть отверждаются при определенной температуре. Однако материал также пригоден для вторичной переработки и повторного использования. Поскольку полимерная сеть является термореактивной, она химически и термически стабильна. ^[9] Однако при комнатной температуре полииминовый материал, с наночастицами серебра или без них, может растворяться в течение нескольких часов. Процесс переработки позволяет растворять устройства, которые повреждены сверх возможностей самовосстановления, и формировать новые устройства (рисунок 3). ^[8] Это достижение открывает двери для более дешевого производства и более экологичных подходов к разработке электронной кожи.

Способность электронной кожи выдерживать механическую деформацию, включая растяжение и изгиб, без потери функциональности имеет решающее значение для ее применения в качестве протезирования, искусственного интеллекта, мягкой робототехники, мониторинга здоровья, биосовместимости и устройств связи. ^{[1] [3] [4] [12]} Гибкая электроника часто разрабатывается путем нанесения электронных материалов на гибкие полимерные подложки, тем самым полагаясь на органическую подложку для придания благоприятных механических свойств. ^[1] Растягивающиеся материалы электронной кожи рассматривались с двух направлений. Гибридные материалы могут полагаться на органическую сеть для эластичности, в то же время встраивая неорганические частицы или датчики, которые по своей природе не являются растягиваемыми. Другие исследования были сосредоточены на разработке растягивающихся материалов, которые также обладают благоприятными электронными или сенсорными возможностями. ^[1]

Zou et al. изучали включение линкеров, которые описываются как «серпентин», в их полииминовую матрицу. ^[8] Эти линкеры позволяют датчикам e-skin изгибаться при движении и искажении. Было также показано, что включение алкильных спейсеров в полимерные материалы увеличивает гибкость без снижения подвижности переноса заряда. ^[10] Oh et al. разработали растягивающийся и гибкий материал на основе 3,6-ди(тиофен-2-ил)-2,5-дигидропирроло[3,4- c ]пиррол-1,4-диона (DPP) и неконъюгированного 2,6-пиридиндикарбоксамида (PDCA) в качестве источника водородных связей (рисунок 4). ^[10]

Графен также показал себя подходящим материалом для применения в электронной коже благодаря своей жесткости и прочности на разрыв. ^[13] Графен является привлекательным материалом, поскольку его синтез на гибких подложках масштабируем и экономически эффективен. ^[13]

Кожа состоит из коллагеновых, кератиновых и эластиновых волокон, которые обеспечивают надежную механическую прочность, низкий модуль, сопротивление разрыву и мягкость. Кожу можно рассматривать как бислой эпидермиса и дермы. Эпидермальный слой имеет модуль около 140–600 кПа и толщину 0,05–1,5 мм. Дерма имеет модуль 2–80 кПа и толщину 0,3–3 мм. ^[14] Эта двухслойная кожа демонстрирует упругий линейный отклик при деформациях менее 15% и нелинейный отклик при больших деформациях. Для достижения конформности предпочтительно, чтобы устройства соответствовали механическим свойствам слоя эпидермиса при проектировании эластичной электроники на основе кожи.

Обычные высокопроизводительные электронные устройства изготавливаются из неорганических материалов, таких как кремний, который по своей природе является жестким и хрупким и демонстрирует плохую биосовместимость из-за механического несоответствия между кожей и устройством, что затрудняет применение электроники, интегрированной в кожу. Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали метод создания гибкой электроники в виде сверхтонких слоев. Сопротивление изгибу материального объекта (жесткость на изгиб) связано с третьей степенью толщины, согласно уравнению Эйлера-Бернулли для балки. ^[15] Это означает, что объекты с меньшей толщиной могут легче изгибаться и растягиваться. В результате, даже несмотря на то, что материал имеет относительно высокий модуль Юнга, устройства, изготовленные на сверхтонких подложках, демонстрируют снижение жесткости на изгиб и позволяют изгибаться до малого радиуса кривизны без разрушения. Тонкие устройства были разработаны в результате значительных достижений в области нанотехнологий, изготовления и производства. Вышеупомянутый подход был использован для создания устройств, состоящих из Si наномембран толщиной 100–200 нм, нанесенных на тонкие гибкие полимерные подложки. ^[15]

Кроме того, соображения структурного проектирования могут быть использованы для настройки механической стабильности устройств. Проектирование исходной структуры поверхности позволяет нам смягчить жесткую электронику. Выпучивание, островное соединение и концепция Киригами были успешно использованы для того, чтобы сделать всю систему эластичной. ^[16]

Механическое выпучивание может использоваться для создания волнистых структур на тонких эластомерных подложках. Эта особенность улучшает растяжимость устройства. Подход с выпучиванием использовался для создания нанолент Si из монокристаллического Si на эластомерной подложке. Исследование показало, что устройство может выдерживать максимальную деформацию 10% при сжатии и растяжении. ^[17]

В случае островного соединения жесткий материал соединяется с гибкими мостами, выполненными из различных геометрий, таких как зигзагообразные, змеевидные структуры и т. д., чтобы уменьшить эффективную жесткость, настроить растяжимость системы и упруго деформироваться под приложенными деформациями в определенных направлениях. Было показано, что змеевидные структуры не оказывают существенного влияния на электрические характеристики эпидермальной электроники. Также было показано, что запутывание межсоединений, которое препятствует движению устройства над подложкой, заставляет спиральные межсоединения растягиваться и деформироваться значительно больше, чем змеевидные структуры. ^[16] КМОП-инверторы, построенные на подложке PDMS с использованием технологий 3D островных межсоединений, продемонстрировали 140%-ную деформацию при растяжении. ^[17]

Kirigami построен на концепции складывания и разрезания 2D-мембран. Это способствует повышению прочности на разрыв субстрата, а также его деформации вне плоскости и растяжимости. Эти 2D-структуры впоследствии могут быть превращены в 3D-структуры с различной топографией, формой и контролируемым размером посредством процесса выпячивания, что приводит к интересным свойствам и приложениям. ^{[16] [17]}

Разработка проводящей электронной кожи представляет интерес для многих электрических приложений. ^{[3] [7] [18]} Исследования проводящей электронной кожи пошли двумя путями: проводящие самовосстанавливающиеся полимеры или внедрение проводящих неорганических материалов в непроводящие полимерные сети. ^[1]

Самовосстанавливающийся проводящий композит, синтезированный Ти и др . (Рисунок 2) ^[7], исследовал включение микроструктурированных частиц никеля в полимерный носитель. Частицы никеля прилипают к сетке посредством благоприятных взаимодействий между собственным оксидным слоем на поверхности частиц и водородно-связывающим полимером. ^[7]

Наночастицы также изучались на предмет их способности придавать проводимость электронным материалам кожи. ^{[8] [18]} Zou et al. внедрили наночастицы серебра (AgNP) в полимерную матрицу, сделав электронную кожу проводящей. Процесс заживления для этого материала примечателен тем, что он не только восстанавливает механические свойства полимерной сети, но и восстанавливает проводящие свойства, когда наночастицы серебра были внедрены в полимерную сеть. ^[8]

Некоторые из проблем, с которыми сталкиваются электронные датчики кожи, включают хрупкость датчиков, время восстановления датчиков, повторяемость, преодоление механической деформации и долгосрочную стабильность. ^{[5] [19]}

Приложенное давление можно измерить, отслеживая изменения сопротивления или емкости. ^[13] Было показано, что копланарные встречно-штыревые электроды, встроенные в однослойный графен, обеспечивают чувствительность к давлению вплоть до 0,11 кПа посредством измерения изменений емкости. ^[13] Пьезорезистивные датчики также показали высокий уровень чувствительности. ^{[19] [20] [21]}

Ультратонкие сенсорные матрицы на основе дисульфида молибдена, интегрированные с графеном, продемонстрировали многообещающие механические свойства, позволяющие определять давление. ^[19] Модификации органических полевых транзисторов (OFET) показали себя многообещающими в электронных приложениях для кожи. ^[22] Микроструктурированные тонкие пленки полидиметилсилоксана могут упруго деформироваться при приложении давления. Деформация тонкой пленки позволяет хранить и высвобождать энергию. ^[22]

Визуальное представление приложенного давления было одной из областей интереса в разработке тактильных датчиков. ^{[3] [23]} Группа Bao в Стэнфордском университете разработала электрохромно активную электронную кожу, которая меняет цвет в зависимости от разной величины приложенного давления. ^[3] Приложенное давление также можно визуализировать путем включения активных матричных органических светодиодных дисплеев, которые излучают свет при приложении давления. ^[23]

Прототипы электронной кожи включают в себя электронную кожу на основе печатного синаптического транзистора , которая обеспечивает роботизированной руке тактильные ощущения, подобные ощущениям кожи, а также чувствительность к прикосновению/боли, ^{[24] [25]} и многослойную тактильную сенсорную ремонтируемую кожу робота на основе гидрогеля . ^{[26] [27]}

Датчики влажности были включены в конструкцию электронной кожи с сульфированными вольфрамовыми пленками. Проводимость пленки меняется в зависимости от различных уровней влажности. ^[28] Кремниевые наноленты также изучались на предмет их применения в качестве датчиков температуры, давления и влажности. ^[29] Ученые из Университета Глазго достигли успехов в разработке электронной кожи, которая чувствует боль в реальном времени, с применением в протезировании и более реалистичных гуманоидах. ^[30]

Система электронной кожи и человеко-машинного интерфейса, которая может обеспечить дистанционное тактильное восприятие , а также носимое или роботизированное обнаружение многих опасных веществ и патогенов . ^{[31] [32]}

• Искусственная клетка
• Искусственная мышца
• Электронный нос
• Электронный язык
• Роботизированное зондирование
• Чувствительная кожа
• Мягкая робототехника