Тетрис на рукаве: газопроницаемый материал для носимой электроники
Носимая электроника стала неотъемлемой частью жизни многих современных людей. От фитнес-браслетов и умных часов до очков дополненной реальности и умных рубашек — диапазон уже существующих устройств варьируется от очевидно полезных до занятно футуристических. Тем не менее, когда речь идет о чем-то «носимом», помимо функционала необходимо думать и о комфорте. Ученые из университета штата Северная Каролина (США) разработали новый газопроницаемый материал для носимой электроники, т.е. способный «дышать». Какие методики были использованы для создания нового материала, каковы свойства полученного прототипа и насколько комфортнее станет носить электронику на себе? Об этом мы узнаем из доклада ученых. Поехали.
Основа исследования
Любая вещь, которую мы одеваем на себя, в той или иной степени газопроницаемая. Обусловлено это необходимостью соответствовать нашей физиологии. Кожа человека является важным элементом экскреторной системы организма, обеспечивая вывод продуктов обмена через пот. Следовательно, преграждать исполнению этой функции, используя полностью «герметичные» материалы, не самая хорошая идея в повседневной жизни (специализированная одежда и оборудование не в счет).
Что касается носимой электроники, но с ее развитием и преобразованием от обычных браслетов до чуть ли не полноценных элементов гардероба, ученые начали задумываться не только над физическими свойствами используемых материалов, что важно для выполнения непосредственно функций устройства, но и над свойствами, способствующими комфорту пользователя.
Большинство современных носимых гаджетов, как отмечают сами исследователи, изготовлены на базе твердых полимерных подложках, таких как полидиметилсилоксан (PDMS), полиэтилентерефталат (PET) и полиимид (PI). В данном труде ученые описывают новый материал, обладающий не только хорошей проводимостью и гибкостью, как у выше перечисленных предшественников, но и хорошей газопроницаемостью.
Ранее уже были попытки создать нечто подобное, однако все они сталкивались с определенными сложностями во время производства или ограничениями в применении.
К примеру, относительно недавно был разработан ультратонкий материал на базе поливинилового спирта (ПВС). Газопроницаемость этого материала была отличной, но производство было крайне сложным. Другими словами, овчинка выделки не стоит.
Также существует разработка на серебряных нанопроводах (AgNW). Такой вариант обеспечивал высокую электрическую стабильность, однако оголенные нанопровода ограничивали срок долгосрочной стабильности.
Еще одним уникальным материалом была ПДМС (полидиметилсилоксан) губка, созданная на базе сахарных матриц. Проблемы заключались в ограниченности размеров частиц сахара, что осложняло получение микропористых структур. В добавок данный метод невозможно применять для изготовления ультратонких пленок.
Напоминая про вышеописанные прототипы, ученые хотят сказать, что создать действительно хороший материал, объединяющий в себе все необходимые свойства, при этом легкий в производстве, достаточно сложно. Однако, по их же словам, у них получилось.
Они решили не изобретать велосипед, а объединить уже имеющиеся разработки, попутно убрав их недостатки. В результате была получена растяжимая (т.е. гибкая) проводящая пленка путем внедрения AgNW непосредственно под поверхностью пористой термопластичной полиуретановой (ТПУ или TPU) пленки, изготовленной методом испарения.
Метод испарения представляет собой простой, эффективный и масштабируемый процесс самосборки для изготовления пористых полимерных пленок, не требующий сложных этапов, таких как фотолитография, вакуумное испарение и травление.
Результаты исследования
Изображение №1
На изображении 1а показана схема процесса изготовления прототипа. Пористую пленку термопластичного полиуретана (TPU) изготавливали посредством метода испарения, после чего AgNW (серебряные нанопровода) внедрялись в поверхность за счет термопрессования.
В процессе испарения роль растворителя играл тетрагидрофуран (ТГФ). Кроме того, к раствору было добавлено небольшое количество полиэтиленгликоля (ПЭГ) (TPU: ПЭГ = 10: 1 по массе) для облегчения упорядоченной сборки капель воды.
Испарения органического растворителя охлаждало субстрат. Влага в свою очередь конденсировалась на подложке и самостоятельно собиралась в каплеуловители.
Ученые отмечают, что в обычных обстоятельствах стоит избегать соединения капель, что может привести к формированию неупорядоченных структур. Однако в этой работе сближение капелек способствовало образованию сквозных пористых структур.
Как показано на 1b, размер пор можно контролировать, изменяя концентрацию раствора. Более высокая концентрация (2 мас.% TPU + 0.2 мас.% ПЭГ) приводила к меньшему размеру и более правильной структуре пор, но к более высокому проценту заглушенных пор (т.е. пор, которые никак не исполняют свою роль ввиду расположения). С другой стороны, когда концентрация была слишком низкой (1 мас.% TPU + 0.1 мас.% ПЭГ), полученная структура имела тенденцию быть более нерегулярной с диаметром пор более 100 мкм. Такие большие поры могут быть видимы невооруженным глазом и ограничивают разрешающую способность электродов.
Спустя несколько попыток было установлено, что оптимальная концентрация раствора составляет 1,5 мас.% TPU и 0.15 мас.% ПЭГ. В результате была получена равномерная пористая структура (1b и 1e). Форма пор была близка к круглой с диаметром ~ 40 мкм, а коэффициент покрытия поверхности составлял около 39% (1e и 1f).
AgNW были внедрены на пористую TPU пленку путем ее погружения в раствор AgNW и воды. Важно, что размер пор был намного больше, чем длина AgNW (~ 20 мкм). Микроскопия (1с) пористой пленки AgNW/TPU показала, что AgNW были равномерно нанесены на поверхность TPU, не перекрывая поры.
AgNW на поверхности TPU пленки достаточно легко от нее отделяются, потому было необходимо провести термическую обработку, решающую эту проблему. Температура плавления TPU составляет около 130 °С, потому было решено использовать температуру 150 °С для проведения термического прессования.
На снимке 1d2 видно, что после теплового пресса большинство AgNW были внедрены непосредственно внутрь TPU, и лишь небольшая часть экспонировалась на поверхности. Данная обработка также уменьшила толщину пленки с 6.8 мкм до 4.6 мкм.
Изображение №2
На изображении 2а показано оптическое изображение пористой пленки HP-AgNW/TPU (HP — после теплообработки). График 2b показывает сопротивление пленки в зависимости от числа циклов нанесения покрытия методом погружением (т.е. от числа циклов внедрения AgNW). Сопротивление уменьшилось лишь после первых четырех циклов, после чего оно сохраняло стабильность, достигая примерно 14.5 Ом/кв (Ом на квадрат). Следовательно, в процессе изготовления пленки было использовано именно 4 цикла нанесения. Обработка термическим прессом дополнительно снижала сопротивление, что можно объяснить улучшенным контактом в соединениях AgNW, вызванным давлением и термическим отжигом. Например, после термообработки сопротивление пленки уменьшилось до 7.3 Ом/кв.
Пористая структура пленки приводит к увеличению оптической прозрачности по сравнению с твердой пленкой. Оптический коэффициент пропускания составлял 72% при 550 нм для пористой пленки TPU (2c) и уменьшался до 63% после нанесения покрытия AgNW. Коэффициент пропускания дополнительно уменьшился до 61% после термического прессования из-за слегка увеличенной ширины пленки TPU.
Далее была проведена оценка пропускания водяного пара на основе стандарта ASTM E96. Как и ожидалось, пористая TPU пленка демонстрирует значительно улучшенную паропроницаемость по сравнению с пленкой без пористой структуры (2d). Скорость пропускания водяного пара составила: 2 мг/см2ч-1 для твердой TPU пленки; 38 мг/см2ч-1 для пористой TPU пленки; 36 мг/см2ч-1 для пористой AgNW/TPU и 23 мг/см2ч-1 для пористой HP-AgNW/TPU.
У исследователей появилось предположение, что повышенная паропроницаемость также улучшает износостойкость материала. Чтобы проверить эту гипотезу, был проведен долгосрочный тест износостойкости при ношении пленки на коже. После 7 дней ношения на коже человека аллергических реакций и накопления пота не было. Никакой разницы не наблюдалось между областью кожи, которая была покрыта пленкой и областью вокруг зоны контакта.
Очевидно, что сквозная пористая структура позволяет поту и влаге проникать через пленку, снижает вероятность раздражения кожи и улучшает комфорт и износостойкость при ношении.
Далее пленки были погружены в физраствор, чтобы продемонстрировать долговременную стабильность при контакте с потом (2е). Через 100 часов сопротивление пористых пленок AgNW/TPU и HP-AgNW/TPU увеличилось на 60% и 15% соответственно.
Испытания на отслаивание проводились между пленкой и клейкой лентой (2f) и между пленкой и кожей. Изображение 2f также показывает, что пленка AgNW/TPU может быть легко отслоена с помощью ленты (изображение справа показывает AgNW, перенесенные на клейкую ленту), тогда как пленка HP-AgNW/TPU намного более стабильна.
Кроме того, пленка AgNW/TPU теряла проводимость после испытания на отслаивание, в то время как пленка HP-AgNW/TPU сохраняла проводимость.
После снятия пленки AgNW/TPU с кожи некоторые AgNW все же остались на коже. А вот аналогичный тест с пленкой HP-Ag NW/TPU показал, что на коже нет частиц AgNW.
Из этого следует, что термическая обработка может эффективно улучшить проводимость и стабильность пленки при длительном использовании.
Благодаря встраиванию AgNW под поверхность пленки TPU полученная пористая пленка HP-AgNW/TPU показала значительно улучшенную адгезию между AgNW и TPU и, следовательно, стабильность, с приемлемым снижением оптического пропускания и паропроницаемости.
Стоит отметить, что пленка HP-AgNW/TPU является не только проводящей на поверхности, но и в направлении толщины. Верхняя и нижняя стороны пленки являются электропроводящими, при этом они также связаны нанопроводами серебра на краю пор через толщину. Таким образом пленка работает как объемный проводящий материал, но не требует большого количества проводящих наполнителей, которые могут вызвать ухудшение механических свойств.
Тест со светодиодом.
Чтобы продемонстрировать это свойство, пленка была подключена к светодиодной цепи и использовалась в качестве двухстороннего проводника. Две капли жидкого металла были нанесены на две стороны пленки для соединения со светодиодом. Горящий светодиод указывает на то, что обе стороны пленки являются электропроводящими и соединенными.
Изображение №3
Благодаря своим физическим свойствам пленка HP-AgNW/TPU может принимать самые разные формы путем лазерной резки. На снимках 3а показан пленочный электрод, структурированный в нитевидную змеевидную структуру с шириной линии 0.5 мм. При этом пленка остается ультратонкой, что обеспечивает тесный контакт с кожей.
Процедура нанесения пленки HP-AgNW/TPU на кожу.
Пленка полностью восстанавливается после сжатия, скручивания и прочих деформаций, которые могут с ней возникнуть в ходе нахождения на коже. При необходимости пленку HP-AgNW/TPU можно удалить с кожи посредством скотча и использовать повторно.
Процедура снятия HP-AgNW/TPU с помощью простого скотча.
График 3b показывает динамику сопротивления в зависимости от растяжения пленки. При 5% деформации на пленку сопротивление увеличивалось вдвое. При удалении какого-либо напряжения (деформации) сопротивление падало на 10%. В последующих циклах, где чередовались растяжение пленки и ее нормальное состояние, сопротивление практически всегда оставалось постоянным и обратимым.
Если же деформация составляла 10% и 15%, то сопротивление увеличивалось примерно в 4 и 7 раз соответственно по сравнению с исходным значением. Несмотря на столь значимые колебания, была отмечена любопытная тенденция — на каждом уровне деформации пленка может быть «запрограммирована» при первом растяжении, после чего сопротивление будет изменяться обратимо в пределах диапазона, определенного первым растяжением. Другими словами, важнейшую роль играет именно первый цикл деформации, который и задает «ритм» изменения сопротивления для последующих циклов.
В результате после 1000 циклов деформирования (10%) сопротивление увеличилось менее чем на 7%. Данный тест также показал, что пленка действительно очень гибкая. Так, когда пленку согнули до кривизны 0.55 мм-1, сопротивление увеличилось лишь на 0.8% (3с). А после 10000 циклов сгибания сопротивление увеличилось на 0.7% (3d). Пленка HP-AgNW/TPU сохраняет свою проводимость вплоть до 45% деформации. А разрушение пленки наступает лишь при деформации в 350%.
Ученые отмечают, что их разработка отлично подходит для непрерывного контроля электрофизиологических сигналов. ЭКГ обычно используется для диагностики нарушений сердечного ритма, в то время как ЭМГ может использоваться для анализа уровней стимуляции, невропатии мышц и двигательного поведения.
В измерениях ЭКГ и ЭМГ (электрокардиография и электромиография) конформный контакт и низкий импеданс кожа-электрода имеют решающее значение для получения высокого отношения сигнал/шум, т.е. для получения максимально точной информации.
Чтобы оценить контакт между пористыми электродами HP-AgNW / TPU и кожей, была использована искусственная кожа, изготовленная из Exoflex, которая практически идентична коже человека и имеет тот же модуль Юнга.
Изображение №4
На изображении 4а показан электрод после переноса на искусственную кожу. Микроскопия отчетливо показывает, что ультратонкий электрод образовал конформный (тесный) контакт с кожей.
Комплексное сопротивление пористых электродов HP-AgNW/TPU в исходном и растянутом состоянии было лишь немного выше, чем у коммерческих гелевых электродов Ag/AgCl (4d), и ниже, чем у твердой пленки AgNW/PDMS (толщина 0.2 мм). Это связано с качеством контакта пленки с кожей. Меньшая толщина и повышенная гибкость пленки HP-AgNW/TPU уменьшают жесткость при изгибе, приводя к более конформному контакту, чем твердая пленка AgNW/PDMS.
Далее сигналы ЭКГ и ЭМГ, полученные с использованием пористых электродов HP-AgNW/TPU, сравнивались с сигналами, полученными с помощью коммерческих гелевых электродов Ag/AgCl (4e и 4f). Расположение электродов для испытаний ЭКГ и ЭМГ показано на 4b и 4с соответственно.
В случае ЭКГ пористые электроды HP-AgNW/TPU обеспечивали сигналы, сопоставимые по качеству с гелевыми электродами. Измеренное SNR (отношение сигнал-шум) для ЭКГ пористыми электродами HP-AgNW/TPU составило 7.0 дБ, что сопоставимо с гелевыми электродами (7.1 дБ).
В случае постоянного движения качество сигналов ухудшалось, а значение SNR падало до 6.3 дБ для пористых и 6.2 дБ для гелевых электродов.
За счет ЭМГ можно четко различить сигналы, соответствующие сокращению мышц для разных сил захвата. Примечательно, что сигнал пористых электродов HP-AgNW / TPU был слабее, чем у гелевых электродов, но это связано с разным расположением электродов двух типов (электроды обоих типов использовались одновременно). Значение SNR для ЭМГ пористыми электродами составило 24.9 дБ, что сопоставимо с SNR для гелевых электродов (25.9 дБ).
Стоит отметить, что пористые электроды, в отличие от коммерческих гелевых электродов, не нуждаются в проводящем геле. Отсутствие геля во время сбора данных улучшает их качество, поскольку отсутствует такой фактор как деградация геля. Принимая во внимание газопроницаемость разработанной пленки, эти эксперименты дополнительно иллюстрируют возможность использования пористых электродов HP-AgNW/TPU для долгосрочного непрерывного мониторинга состояния человека.
Кожа человека не единственное место, где могут размещаться разработанные электроды. Второй вариант — текстиль.
Изображение №5
На изображении 5а показана схема емкостного датчика касания. На 5b показано значение емкости при касании к датчику и при нажатии на него.
Кроме того, чувствительность системы датчика касания определяется как скорость изменения значения считывания, когда происходит касание. В данной системе чувствительность составила 86%. Стабильность в свою очередь определяется как дисперсия показаний датчика касания, которая составляет около 1.65. Отношение сигнал-шум составило 35:1, а время отклика составило менее 0.1 с.
Для сборки системы беспроводных датчиков прикосновения (5c) кусок пленки HP-AgNW/TPU 50×100 мм был интегрирован в тканевый рукав и отображен в виде четырех сенсорных кнопок с помощью лазерной резки. Каждая из кнопок имела свою функцию: влево, вниз, вращение и вправо.
Тетрис на рукаве.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
Современная техника уже давно сопряжена не только с функционалом, но и с комфортом в использовании. Носимая электроника не может быть исключением. Большинство современных материалов, используемых для производства носимых гаджетов, прекрасно выполняют свои основные функции, однако лишены некоторых маленьких, но столь важных, деталей. Одной из таких деталей является газопроницаемость, обеспечивающая свободное потоотделение в случае долгосрочного ношения на коже какого-либо устройства.
Разработанная пленка HP-AgNW/TPU обладает множеством упорядоченных пор. Подобная конструкция не сильно повлияла на физические свойства пленки, сохранив возможность полноценно выполнять основные задачи.
В ходе исследования было создано несколько прототипов, демонстрирующий спектр применения HP-AgNW/TPU. Первый прототип был нацелен на сбор важной информации о состоянии здоровья пользователя. Второй — почти шутливое применение пленки HP-AgNW/TPU для создания беспроводного геймпада для тетриса. В обоих случаях прототипы показали отличные результаты, а пористая пленка по своим характеристикам и производительности оказалась сопоставима с применяемыми на данный момент коммерческими вариантами.
В дальнейшем исследователи намерены продолжить свою работу над газопроницаемыми материалами, поскольку считают, что использование любого носимого гаджета должно быть комфортным. Что ж, с этим не поспоришь.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)
Немного рекламы :)
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
