Исследователи EPFL разработали электронный датчик на основе волокна, который остается функциональным даже при растяжении более чем в 10 раз по сравнению с первоначальной длиной. Устройство является перспективным для интеллектуальных текстильных изделий, устройств физической реабилитации и мягкой робототехники.
Фраза «жидкий металл» может вызвать в памяти что-то опасное, например ртуть или расплавленную сталь. Но в Лаборатории фотонных материалов и волоконных устройств (FIMAP) Инженерной школы EPFL это просто означает смесь индия и галлия, которая нетоксична, остается жидкой при комнатной температуре и представляет большие перспективы для разработки электронных волокон для носимых устройств и роботизированных датчиков.
К сожалению, как объясняет руководитель FIMAP Фабьен Сорин, жидкие металлы чрезвычайно сложны в обработке, и особенно трудно производить электронные волокна, которые сочетают в себе высокую и стабильную проводимость с растяжимостью. Исследователи лаборатории преодолели эту проблему с помощью метода термического вытягивания, который традиционно используется для создания волоконной оптики.
«Мы интегрировали термическую вытяжку в значительно упрощённый процесс производства волоконных датчиков с точно подобранными электронными свойствами, что делает их перспективными кандидатами для умного текстиля в сфере мониторинга спорта и здоровья», — говорит Сорин.
Команда использовала свою технологию, описанную в Nature Electronics, для создания умного наколенника, который может отслеживать движения пользователя и работу суставов во время физической активности.
Процесс термовытяжки начинается с создания макроскопической версии электронного волокна, называемой заготовкой, которая содержит компоненты из жидкого металла, тщательно расположенные в трёхмерном узоре. Затем заготовку нагревают и вытягивают, как расплавленный пластик, чтобы получить волокна диаметром от нескольких сотен микрон до миллиметров, сохраняющие тот же трёхмерный узор.
Аспирантка и первый автор исследования Стелла Лаперруаз объясняет, что эта структура является одним из ключевых элементов инновации, поскольку позволяет контролировать, какие участки отдельного волокна являются активными (проводящими электрический ток) или неактивными (изолирующими).
«Когда жидкий металл смешивается с мягкой матрицей из эластомера, образуется множество мелких капель. В процессе нагрева и растяжения заготовки эти капли разрушаются, и жидкий металл активируется. Это означает, что мы можем точно настраивать функциональность отдельного волокна, контролируя, какие области становятся активными под воздействием напряжения сдвига, возникающего в процессе растяжения заготовки».
Эксперименты показали, что волокна, созданные командой, сохраняют высокую чувствительность даже при растяжении более чем в 10 раз по сравнению с первоначальной длиной, что даёт этому методу значительное преимущество перед другими методами, в которых сложно найти баланс между электрическими характеристиками, растяжимостью и простотой обработки
В качестве эксперимента исследователи встроили электронные волокна в мягкий наколенник, а затем записали работу устройства, пока испытуемый ходил, бегал, приседал и прыгал. Наколенник надёжно отслеживал угол сгибания колена пользователя и даже мог точно воспроизводить его походку во время бега.
«Благодаря простоте интеграции наше волокно можно легко использовать для отслеживания движений и выявления аномалий в других суставах, например в голеностопных, плечевых или лучезапястных», — говорит Сорин, добавляя, что этот метод потенциально легко масштабируется.
«Обычные электронные устройства могут быть слишком хрупкими или жёсткими, чтобы их можно было интегрировать в текстиль, но наше волокно можно интегрировать в метры — или даже километры — ткани при достаточном увеличении масштаба, над чем мы сейчас работаем. Такую ткань можно использовать для производства носимых устройств, мягких протезов или датчиков для роботизированных конечностей».