Elastyczne układy elektroniczne z drukarek 3D – nowy wymiar inteligentnej odzieży

W przeciągu kilku ostatnich lat naukowcy z harwardzkiego Instytutu Wyss cieszą się sławą wynikająca z badań nad przełomowymi odkryciami niestandardowych zastosowań technologii przyrostowych. Zyskujący popularność koncept lab-on-a-chip w niedalekiej przyszłości ma szansę stać się szansą zrewolucjonizowania sposobu testowania wyrobów medycznych, prowadząc do tworzenia leków spersonalizowanych.

Kontynuując badania nad możliwościami i ograniczeniami technologii druku addytywnego specjalistom udało się opracować system „hybrydowego druku 3D„, umożliwiający tworzenie układów elektronicznych łączących materiały elastyczne ze sztywnymi elementami matrycowymi. Jako jego nadrzędne zastosowanie wymienia się wzbogacanie ubrań o systemy sensorów i receptorów tworząc tzw. wearables, czyli inteligentną odzież i urządzenia codziennego użytku. Możliwość wykonania analizy wydajności organizmu za pośrednictwem opaski na ramię czy stroju sportowego, który nie stanowi zbędnego balastu może znacznie wpłynąć podniesienie efektywności treningów sportowych.

Opracowana technologia jest owocem współpracy podjętej pomiędzy Instytutem Wyss a amerykańskim Laboratorium Sił Powietrznych (AFRL) i jak przyznają jej twórcy ma realną szansę na zmianę oblicza obecnie tworzonych urządzeń stosowanych w inteligentnej odzieży. Możliwość niemal jednoczesnego nanoszenia elastycznych, przewodzących prąd tuszy oraz sztywnych podzespołów pozwala na stworzenie rozciągliwej struktury zachowującej wszystkie funkcji stworzonego układu elektronicznego.

Kompleksowy druk przestrzenny obejmujący tworzenie elastycznego materiału bazowego, nadrukowywanie ścieżek przewodzących i czujników a także precyzyjne nanoszenie gotowych komponentów elektronicznych może znacząco skrócić czas i koszt wytwarzania oraz zapewniać wysoką jakość otrzymywanych struktur. Według twórców, drukowane przestrzennie elastyczne urządzenie można rozciągnąć się nawet o 30 procent bez utraty nadanych mu wcześniej właściwości.

Jak zatem udało się uzyskać tak wytrzymały materiał o idealnych właściwościach przewodzących? Elastyczne ścieżki wykonano z termoplastycznego poliuretanu (TPU) domieszkowanego płatkami srebra, zapewniających pełną kontrolę nad przewodnością materiału. Tak stworzona mieszanka materiałów umożliwia nadrukowywanie miękkich obwodów elektronicznych niemal dowolnego rozmiaru i kształtu – dzięki zastosowaniu TPU jako materiału podkładowego metoda zapewnia świetną kohezję drukowanej, przewodzącej sieci.

Elektroniczne elementy, jak programowalne mikrochipy czy urządzenia do odczytu danych, nakładane są precyzyjnie na powierzchnie elastycznego materiału również przy pomocy dyszy drukującej – tworząc wewnątrz niewielką próżnie z łatwością unosi wybrany element i przenosi go na pozycję.

Jakie są realne zastosowania drukowanej przestrzennie elektroniki? Jeśli chodzi o konkretne aplikacje, badacze wymieniają m.in. rękaw wyposażony w czujnik naprężeń, który za pomocą diod LED sygnalizuje stopień zgięcia kończyny, pozwalając doskonalić lekkoatletom technikę rzutu dyskiem czy kulą.

Nie jest to pierwsze spotkanie z tzw. „hybrydowym” drukiem przestrzennym – kilka miesięcy temu Boeing i AMRC chwalili się opracowaniem metody swobodnego łączenia technologii addytywnych z elementami konstrukcyjnymi o charakterze optycznym i elektronicznym.  Naukowcom z Instytutu Wyss udało się udoskonalić pomysł inżynierów Boeinga, nadając materiałowi właściwości elastyczne i jak sami twierdzą jest to krok w kierunku tworzenia znacznie wytrzymalszej a zarazem tańszej odzieży inteligentnej.

Źródło: 3ders.org