И снова здравствуйте, читатели блога Prestigio!
Мы продолжаем разговор о носимой электронике. В прошлой статье речь шла об источниках питания для оной на основе трибоэлектрических генераторов. Теперь же настала очередь той самой загадочной и таинственной по-настоящему носимой электроники. До чего дошла наука и технологии в этом аспекте, Вы узнаете под катом!
Многие из Вас зададутся вопросом: «А как же, собственно, трибоэлектрические генераторы можно применять в реальной жизни, если они вырабатывают такое малое количество электроэнергии?» И ответ на этот вопрос очень простой: необходимо найти такие применения, в которых и не потребуется большого количества электроэнергии, хотя само устройство могло бы быть крайне полезным. Таковыми, например, станут разнообразные датчики и сенсоры, в том числе и носимые.
Начнём мы с одного примера, который был уже освещён на GT, но не упомянуть про него просто не возможно. Итак, группа китайских исследователей из Университета Науки и Технологий города Хуанчжоу совместно с коллегами из Университета Мэриленда представили интересную идею претворения в реальное устройство технологии трибоэлектричества.
Авторы статьи, опубликованной в престижном журнале ACS Nano, предложили использовать большие панели так называемой «самозапитывающейся нанобумаги» (self-powered nanopaper) в качестве датчика прикосновений, например, для охраны произведений искусства или предотвращения проникновения в помещение через окно, а также при создании умной упаковки. Основу устройства, как и у многих других трибоэлектрических девайсов составляют два специально текстурированных слоя прозрачной бумаги, которые при соприкосновении выдают пару десятков вольт и единицы микроампер электрического тока, что вполне достаточно для срабатывания реле или моргания светодиода.
Несколько функционалных слоёв, собранных вместе, и трибоэлектрический девайс готов
Проведённое тестирование показало, что созданная «умная» бумага может выдержать более 50 000 циклов нажатий. К тому же её легко нарезать на своеобразные «пиксели» и использовать в качестве метки для защиты продукции от подделок. Нажатие на один из четырёх пикселей, представленный на рисунке ниже, отображает цифру от 1 до 4 на ЖК-дисплее, однако это может быть и логотип фирмы-производителя. Видео на сайте журнала подробнее демонстрирует данную функцию.
Многоэтапная защита от контрафактной продукции: каждый из пикселей может отвечать за отображение своего лого
Что ж, остаётся только ждать, пока наши друзья из Поднебесной развернут массовое производство данной продукции, как когда-то был налажен выпуск дешёвых RFID-меток.
Оригинальная статья «Self-Powered Human-Interactive Transparent Nanopaper Systems» опубликована в ACSNano (DOI: 10.1021/acsnano.5b02414).
Другой пример мы разберём из области медицины и/или спорта — кому как больше нравится. Фитнес-браслеты, часы или какой-то другой гаджет, который отслеживает состояние нашего здоровья, уже у всех на слуху. И хотя врачи пока не определились, что делать с полученными данными обывателей, для спортсменов следить за пульсом, дыханием, насыщением крови кислородом крайне важно, и не только во время тренировок. Именно с этой целью учёные из Сувонского университета разработали прозрачные сенсоры, которые фактически можно просто приклеить на запястье или шею и следить за всеми вышеуказанными параметрами. К тому же, датчик будет полезен и в медицине для мониторинга состояния пациента и/или отдельных органов до, во время или после операции.
Сам датчик представляет собой бутерброд «3-в-1». Первый слой – это чувствительный к изгибам и растяжениям элемент на основе композитного материала, состоящего из серебряных наностержней, в матрице токопроводящего полимера PEDOS:PSS и полиуретана (PU). Второй слой составляет суперконденсатор (SuperCapacitor), а третий слой – трибоэлектрический наногенератор (TENG). Все три слоя изолированы друг от друга диэлектриком – PDMS.
(a-d) Схематическое изображение сенсора на теле человека и основных элементов сенсора TENG, SC и чувствительного к растяжениям элемента. (e) Микрофотография композитного материала на основе серебряных стержней в полимерной матрице. (f) Фотография самого датчика: сверху TENG, посередине суперконденсатор, снизу чувствительный элемент
В лабораторных условиях такой датчик полностью подтвердил свою профпригодность. Размещённый на горле (трахее) он позволяет не только количественно измерять характеристики, но и различать между собой дыхание и кашель, отделять простое сглатывание слюны от питья, а также процесс поглощения пищи.
(a) Мониторинг дыхания человека с помощью разработанного сенсора. (b-f) Изменение сопротивления одно только сенсора в зависимости от времени при дыхании, кашле, питье, глотании слюны и еде. (g-l) Аналогичные измерения, проведённые уже с интегрированным устройством.
Как отмечают сами авторы работы, ещё потребуется проделать большой путь (например, интегрировать в устройство обработку данных и их передачу), прежде, чем мы увидим продукт на прилавках магазинов в виде готового «фитнес-трекера-пластыря», однако это уже другая, чисто инженерная задача.
Оригинальная статья «Stretchable Carbon Nanotube Charge-Trap Floating-Gate Memory and Logic Devices for Wearable Electronics» опубликована в ACSNano (DOI: 10.1021/acsnano.5b01848).
И отчасти за её решение взялась другая большая группа южнокорейских учёных из университетов Сеула, Инчеона и Бусана, которая представила прототип на основе растягивающейся микроэлектроники (подробнее о гибкой и тянущейся электронике можно почитать тут и тут).
Основу данной разработки составляют одностенные углеродные нанотрубки (CNT), находящиеся в полупроводниковом состоянии. На рисунке ниже представлен этакий прозрачный наручный наклееиваемый «планшет», состоящий из нескольких элементов таких, как flash-память, различные элементы логики (инвенторы, NOR и NAND затворы), а также конденсаторов.
Схема изготовленного тестового устройства, состоящего из элементов памяти, логики и конденсаторов
Элементы устройства помещены в уже встречавшийся ранее диэлектрик PDMS, который играет роль гибкой матрицы и защищает от повреждения чувствительные элементы:
Созданный прототип можно гнуть, растягивать, продавливать, сжимать, изгибать — всё, что душа пожелает!
Авторы работы провели целый комплекс исследований, чтобы показать и доказать, что созданный ими массив микроэлектронных компонент выдерживает многократное (более 1000 раз) растяжение и сжатие до 20%, а также изгиб радиусом до 5 мм без значительных изменений характеристик.
А нам опять придётся подождать, когда данная технология найдёт отклик в одном из стартапов или компаний-гигантов и, например, телефонную клавиатуру мы будем носить на одной руке, как в данном видео-ролике:
Оригинальная статья «Transparent Stretchable Self-Powered Patchable Sensor Platform with Ultrasensitive Recognition of Human Activities» опубликована в ACSNano (DOI: 10.1021/acsnano.5b01835).
И последнее на сегодня сенсорное устройство, но ввыполненное уже из обычных, проводящих углеродных нанотрубок (CNT), представила команда исследователей из Массачусетского Технологического Института (MIT) и Сингапурского университета. Для этого нанотрубки вырастили сначала в виде достаточно большого, макроскопического массива, или леса (forest), а затем из отдельных нанотрубок сделали длинные волокна, которые и разместили на гибкой подложке из материала Ecoflex (панели a и b на картинке ниже).
Принцип работы такого сенсора довольно прост (g). УНТ располагаются на полимерной гибкой подложке таких образом, что они частично перекрывают друг друга, обеспечивая электрическую проводимость. Однако при растяжении, контакт между ними ослабевает и в какой-то момент обрывается, а электрическое сопротивление существенно возрастает (d).
Супер-эластичный сенсор на основе углеродных нанотрубок. (a) Схематическое изображение «распаковки» леса углеродных нанотрубок на подложке. (b) Фотография самого процесса и микрофотографии УНТ. (с) Фотографии изготовленного сенсора за работой и полученные кривые деформации (изменение сопротивления в зависимости от растяжения). (e-f) Микрофотографии сенсора при различной степени растяжения. (g) Принципиальная схема и принцип работы устройства при растяжении.
Однако учёные на этом решили не останавливаться и сделали ещё один сенсор, чувствительный к растяжению по двум направлениям. Соответственно, углеродные нанотрубки в нём размещены перпендикулярно друг другу.
Прототип носимого сенсора движений, изготовленный из двух перпендикулярных слоёв углеродных нанотрубок. Такой датчик движений можно с лёгкостью закрепить на перчатке, при этом регистрируется движение всех пяти пальцев, что является прекрасной иллюстрацией работоспособности устройства.
Оригинальная статья «Extremely Elastic Wearable Carbon Nanotube Fiber Strain Sensor for Monitoring of Human Motion» опубликована в ACSNano (DOI: 10.1021/acsnano.5b00599).
Заключение
В двух статьях обзора трибоэлектрических датчиков и носимой микроэлектроники, мы постарались обрисовать основные черты и тенденции научно-технических разработок в данной области. Как уже отмечалось в первой части, прогресс за последние два года просто потрясающий — мы должны очень скоро увидеть первые ласточки этих устройств, сенсоров и экранов на «полках» китайских электронных магазинов.
В чудное время мы живём, товарищи!
А чтобы не пропустить ничего интересного и занимательного подписывайтесь на наш блог.
Вам не сложно, а нам приятно!
Полный список опубликованных статей This is Science на GeekTimes:
This is Science: Простая и дешёвая солнечная энергетика
This is Science: Графен – жизнь или смерть?
This is Science: Вдувай и получай электроэнергию
This is Science: Кремниевая электроника: согни меня полностью!
This is Science: Эластичный дисплей на квантовых точках
This is Science: Поставить трибоэлектричество на службу человечеству
This is Science: 3D оптическая печать переезжает на микроуровень
This is Science: Что внутри нейроморфного чипа?
This is Science: Новости с графеновых полей
This is Science: 3D электронная литография в массы
This is Science: Разряд щелочных батареек или почему батарейка подпрыгивает
This is Science: микропушки и наноядра
This is Science: носимая электроника и трибоэлектричество. Часть 1
This is Science: носимая электроника и трибоэлектричество. Часть 2
