Электронды тері - Electronic skin

Электронды тері сілтеме жасайды икемді, созылатын және өзін-өзі емдеу адам немесе жануарлар терісінің функционалдығын қайталауға қабілетті электроника.[1][2] Материалдардың кең класы көбінесе жылу мен қысымның өзгеруі сияқты қоршаған орта факторларына әсер ету үшін адамның терісінің қабілетін көбейтуге арналған сезгіштік қабілеттерді қамтиды.[1][2][3][4]

Электронды теріні зерттеудегі жетістіктер созылғыш, берік және икемді материалдарды жобалауға бағытталған. Икемді электрониканың жеке салаларындағы зерттеулер және тактильді сезу өте алға жылжыды; дегенмен, терінің электрондық дизайны әр саланың жеке артықшылықтарын жоғалтпай, материалдарды зерттеудің көптеген бағыттарындағы жетістіктерді біріктіруге тырысады.[5] Иілгіш және созылатын механикалық қасиеттерді датчиктермен және өзін-өзі сауықтыру қабілетімен сәтті үйлестіру көптеген мүмкін қосымшаларға есік ашады, соның ішінде жұмсақ робототехника, протездеу, жасанды интеллект және денсаулықты бақылау.[1][5][6][7]

Электрондық тері саласындағы соңғы жетістіктер дизайн материалдарына жасыл материалдардың идеалдары мен қоршаған ортаны қорғауды енгізуге бағытталған. Электронды терінің дамуындағы басты мәселелердің бірі ретінде материалдың механикалық штаммдарға қарсы тұру қабілеті және сезгіштік қабілеті немесе электронды қасиеттері сақталады, қайта өңделгіштік және өзін-өзі қалпына келтіру қасиеттері жаңа электрондық қабықшалардың болашақ дизайнында өте маңызды.[8]

Қайта емдеуге болатын электронды тері

Электрондық терінің өзін-өзі қалпына келтіру қабілеті электронды теріні жұмсақ робототехника сияқты салаларда қолдану үшін өте маңызды.[7] Өздігінен емделетін электронды терінің дұрыс дизайны үшін тек негізгі субстраттың сауығуы ғана емес, сонымен қатар тактильді сезіну немесе электр өткізгіштік сияқты кез-келген сезу функцияларын қалпына келтіру қажет.[7] Ең дұрысы, электронды терінің өзін-өзі қалпына келтіру процесі температураның жоғарылауы, қысым немесе сольвация сияқты сыртқы ынталандыруға тәуелді болмайды.[1][7][8] Электронды терінің өзін-өзі қалпына келтіруі көбінесе полимер негізіндегі материал немесе гибридті материал арқылы жүзеге асырылады.

Полимер негізіндегі материалдар

2018 жылы, Zou т.б. зақымдалған кезде ковалентті байланыстарды қайта құруға қабілетті электрондық теріге арналған жұмыс.[8] Топ 1-суретте көрсетілгендей синтезделген полииминге негізделген кросс-байланыстырылған желіні қарастырды. Электронды тері «қайтымды байланыс алмасуының» арқасында қайта қалпына келтірілетін болып саналады, яғни желіні біріктіріп тұрған байланыстар белгілі бір жағдайда бұзылып, реформа жасай алады. сольвация және жылыту сияқты. Мұндай термореактивті материалдың қайта жаңартылатын және қайта қолдануға болатын аспектісі ерекше, өйткені көптеген термореактивті материалдар ковалентті байланыстар арқылы қайтымсыз байланысқан желілерді құрайды.[9] Полимерлі желіде сауығу процесінде пайда болған байланыстарды бастапқы полимерлі желіден ажыратуға болмайды.

Сурет 1. Полиминге негізделген өзін-өзі қалпына келтіретін электронды теріні қалыптастыруға арналған полимерлеу схемасы.

Динамикалық ковалентті емес өзара байланыстыру полимерлі желіні құрайтыны дәлелденді. 2016 жылы, О т.б. органикалық транзисторларға арналған жартылай өткізгіш полимерлерге ерекше назар аударды.[10] Олар 2,6-пиридин дикарбоксамидін (PDCA) полимерлі омыртқаға енгізу топтар арасында түзілген сутектік байланыстар желісіне негізделген өзін-өзі қалпына келтіру қабілеттерін бере алатындығын анықтады. PDCA-ны полимерлі магистральға қосқанда, материалдар микроскальды крекинг белгілерін көрсетпей-ақ 100% штаммға төзе алды. Бұл мысалда сутегі байланыстары штамм жоғарылаған сайын энергияны бөлу үшін қол жетімді.

Гибридті материалдар

Полимерлі желілер сутектік байланыстар немесе динамикалық ковалентті химия арқылы динамикалық емдеу процестерін жеңілдетуге қабілетті.[8][10] Алайда, бейорганикалық бөлшектерді қосу электронды теріге арналған полимерлі материалдардың функционалдығын едәуір кеңейте алады. Микроқұрылымды никель бөлшектерін полимерлі желіге қосу (2-сурет) бейорганикалық бөлшектердің айналасындағы сутектік байланыстырушы желілерді реформациялау негізінде өзін-өзі қалпына келтіру қасиеттерін сақтайтындығы көрсетілген.[7] Материал үзілістен кейін 15 секунд ішінде өткізгіштікті қалпына келтіреді, ал механикалық қасиеттер бөлме температурасында 10 минуттан кейін қосымша тітіркендірусіз қалпына келеді. Бұл материал мочевина топтары теңестірілген кезде пайда болатын сутектік байланыстарға сүйенеді. Мочевинаның функционалды топтарының сутегі атомдары сутекті байланыстыратын желіні құруға өте ыңғайлы, өйткені олар электрондарды бөліп алатын карбонил тобына жақын орналасқан.[11] Кірістірілген никель бөлшектері бар бұл полимерлі желі полимерлерді өзін-өзі қалпына келтіретін өткізгіш композиттерді жасау үшін супермолекулалық иелер ретінде пайдалану мүмкіндігін көрсетеді.[7]

Сурет 2. Сутегі байланысы мен микроқұрылымды никель бөлшектерімен өзара әрекеттесуге негізделген өзін-өзі қалпына келтіретін материал.

Бір-бірімен 3D форматында байланысқан икемді және кеуекті графен көбіктерінің өзін-өзі қалпына келтіру қасиеттері де көрсетілген.[4] Поли (N, N-диметилакриламид) -поли (винил спирті) (PDMAA) және қалпына келтірілген графен оксиді бар жұқа пленка жоғары электр өткізгіштік пен өзін-өзі қалпына келтіру қасиеттерін көрсетті. Гибридті композиттің емдік қабілеттері PDMAA тізбектері арасындағы сутектік байланыстарға байланысты деп күдіктенеді және емдеу процесі бастапқы ұзындықты қалпына келтіріп, өткізгіштік қасиеттерді қалпына келтіреді.[4]

Қайта өңдеуге болатын электронды тері

Зоу т.б. робототехникада, протездеуде және көптеген басқа қосымшаларда қолдануға болатын электронды тері саласындағы қызықты прогресті толығымен қайта өңделетін электрондық тері материалы түрінде ұсынады.[8] Топ әзірлеген электронды тері белгілі бір температурада емделуді білдіретін, термостет болып табылатын ковалентті байланысқан полимерлер желісінен тұрады. Дегенмен, материал қайта өңделеді және қайта пайдалануға жарамды. Полимерлі желі термосеткі болғандықтан, химиялық және термиялық тұрақты.[9] Алайда бөлме температурасында полимин материалы күміс нанобөлшектермен немесе онсыз бірнеше сағаттық уақыт шкаласында еруі мүмкін. Қайта өңдеу процесі өзін-өзі қалпына келтіру мүмкіндіктерінен тыс зақымдалған құрылғыларды ерітіп, жаңа құрылғыларға айналдыруға мүмкіндік береді (3-сурет).[8] Бұл аванстық шығынды төмендетуге және электронды теріні дамытудың жасыл тәсілдеріне жол ашады.

Сурет 3. Өткізгіш полииминге негізделген электрондық теріге арналған қайта өңдеу процесі.

Серпімді және созылатын электронды тері

Протездеу, жасанды интеллект, жұмсақ робототехника, денсаулықты бақылау, биоүйлесімділік және байланыс құралдары ретінде қолдану үшін электронды терінің механикалық деформацияға төтеп беруі, оның созылу және иілу функционалдығын жоғалтпастан.[1][3][4][12] Иілгіш электроника көбінесе электронды материалдарды икемді полимерлі төсеніштерге салу арқылы жасалады, осылайша қолайлы механикалық қасиеттер беру үшін органикалық субстратқа сүйенеді.[1] Терінің созылатын материалдарына екі бағыт жақындады. Гибридті материалдар бейорганикалық бөлшектерді немесе датчиктерді орналастыру кезінде созылу үшін органикалық желіге сүйенуі мүмкін, олар созылмалы емес. Басқа зерттеулер созылатын материалдарды жасауға бағытталған, олар сонымен қатар қолайлы электронды немесе сезгіштік қабілеттерге ие.[1]

Зоу т.б. олардың полимин матрицасына «серпентин» ретінде сипатталатын байланыстырғыштарды қосуды зерттеді.[8] Бұл байланыстырғыштар электронды терінің сенсорларын қозғалыс пен бұрмаланумен иілуге ​​қабілетті етеді. Полимер негізіндегі материалдарға алкилдік аралықтарды қосу зарядты тасымалдаудың қозғалғыштығын төмендетпей икемділікті арттыратыны көрсетілген.[10] Ох т.б. 3,6-di (тиофен-2-ыл) -2,5-дигидропирролоның негізінде созылатын және икемді материал жасады [3,4-c] пиррол-1,4-дион (DPP) және конъюгацияланбаған 2,6-пиридин дикарбоксамид (PDCA) сутегі байланысының көзі ретінде (4-сурет).[10]

Сурет 4. Созылмалы және өзін-өзі қалпына келтіретін полимер негізіндегі жартылай өткізгіш материал.

Графен сонымен қатар терінің қаттылығы мен созылғыштығына байланысты электронды теріге арналған материал ретінде қолайлы болып шықты.[13] Графен - бұл тартымды материал, өйткені оның икемді субстраттарға синтезделуі масштабталған және үнемді.[13]

Өткізгіш электронды тері

Өткізгіш электронды терінің дамуы көптеген электрлік қосымшалар үшін қызығушылық тудырады.[3][7][14] Өткізгіш электронды теріні зерттеу екі бағытта жүрді: өткізгіш полимерлер немесе өткізгіш бейорганикалық материалдарды өткізгіш емес полимерлер желісіне енгізу.[1]

Ти синтездеген өзін-өзі қалпына келтіретін өткізгіш композит т.б. (2-сурет)[7] микроқұрылымды никель бөлшектерінің полимер иесіне қосылуын зерттеді. Никель бөлшектері желіге жабысады, бірақ бөлшектердің бетіндегі оксид қабаты мен сутегімен байланысқан полимер арасындағы өзара әрекеттесулер тиімді.[7]

Нанобөлшектер терінің электронды материалдарындағы өткізгіштік қабілеті үшін де зерттелген.[8][14] Зоу т.б. полимерлі матрицаға күміс нанобөлшектері (AgNPs) енгізілген, бұл теріні өткізгіш етеді. Бұл материалды емдеу процесі ерекше назар аударады, өйткені ол полимерлі тордың механикалық қасиеттерін қалпына келтіріп қана қоймайды, сонымен қатар полимерлі желіге күміс нанобөлшектер ендірілген кезде өткізгіштік қасиеттерін қалпына келтіреді.[8]

Электронды терінің сезу қабілеті

Электронды теріні сезу қабілеттеріне тап болатын кейбір қиындықтарға сенсорлардың сынғыштығы, датчиктердің қалпына келу уақыты, қайталанғыштығы, механикалық штаммды жеңу және ұзақ мерзімді тұрақтылық жатады.[5][15]

Тактильді сенсорлар

Қолданылатын қысымды қарсылықтың немесе сыйымдылықтың өзгеруін бақылау арқылы өлшеуге болады.[13] Бір қабатты графенге салынған копланарлық интергитирленген электродтар сыйымдылықтың өзгеруін өлшеу арқылы 0.11 кПа-ға дейінгі қысымға сезімталдықты қамтамасыз ететіндігі көрсетілген.[13] Пьезорезистикалық датчиктер де жоғары сезімталдық деңгейін көрсетті.[15][16]

Графен интеграцияланған ультратин молибденді дисульфидті сезгіш массивтер қысымды сезінуге қабілетті перспективалы механикалық қасиеттерді көрсетті.[15] Органикалық өрісті транзисторлардың (OFET) модификациялары теріге арналған электронды қосымшаларда өз нәтижесін берді.[17] Микроқұрылымды полидиметилсилоксанның жұқа қабықшалары қысым түскен кезде серпімді деформациялануы мүмкін. Жіңішке пленканың деформациясы энергияны сақтауға және босатуға мүмкіндік береді.[17]

Қолданылатын қысымның визуалды көрінісі тактильді сенсорларды дамытуға қызығушылық тудырды.[3][18] Стэнфорд университетіндегі Bao Group әр түрлі қолданылатын қысыммен түсін өзгертетін электрохромикалық белсенді электронды теріні ойлап тапты.[3] Қолданылған қысымды, сонымен қатар, қысым түскен кезде жарық шығаратын, белсенді матрицалық органикалық жарық шығаратын диодты дисплейлерді қосу арқылы көруге болады.[18]

Басқа сенсорлық қосымшалар

Ылғалдылық датчиктері күкіртті вольфрам пленкаларымен терінің электронды дизайнына енгізілген. Фильмнің өткізгіштігі ылғалдылықтың әртүрлі деңгейлеріне байланысты өзгереді.[19] Кремний нанорибондары температура, қысым және ылғалдылық датчиктері ретінде қолданылуы үшін де зерттелген.[20]

Сондай-ақ қараңыз

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ а б c г. e f ж сағ Бенайт, Стефани Дж.; Ван, Чао; Ток, Джеффри Б.Х .; Бао, Женань (2013). «Созылмалы және өзін-өзі қалпына келтіретін полимерлер және электронды теріге арналған құрылғылар». Полимер ғылымындағы прогресс. 38 (12): 1961–1977. дои:10.1016 / j.progpolymsci.2013.08.001.
  2. ^ а б дос Сантос, Андрей; Фортунато, Эльвира; Мартинс, Родриго; Агуас, Гюго; Игрея, Руй (қаңтар 2020). «Трансдукция механизмдері, микроқұрылымдық әдістер және терінің электронды қысым датчиктерін қолдану: соңғы жетістіктерге шолу». Датчиктер. 20 (16): 4407. дои:10.3390 / s20164407. PMC  7472322. PMID  32784603.
  3. ^ а б c г. e Чоу, Хо-Хсиу; Нгуен, Аманда; Чортос, Алекс; Джон В. Ф .; Лу, Чиен; Мэй, Цзянго; Куросава, Таданори; Бэ, Вон-Гю; Ток, Джеффри Б.-Х. (2015-08-24). «Тактильді сезіну арқылы басқарылатын интерактивті түсі өзгеретін хамелеоннан жасалған созылатын электронды тері». Табиғат байланысы. 6: 8011. Бибкод:2015NatCo ... 6.8011C. дои:10.1038 / ncomms9011. PMC  4560774. PMID  26300307.
  4. ^ а б c г. Хоу, Ченгии; Хуанг, Дао; Ван, Хончжи; Ю, Хао; Чжан, Цинхун; Ли, Яоганг (2013-11-05). «Потенциалды жасанды теріні жағуға арналған өздігінен белсендірілген қысым сезімталдығы бар күшті және созылатын өздігінен емделетін пленка». Ғылыми баяндамалар. 3 (1): 3138. Бибкод:2013 НатСР ... 3E3138H. дои:10.1038 / srep03138. ISSN  2045-2322. PMC  3817431. PMID  24190511.
  5. ^ а б c Хаммок, Мэлори Л .; Чортос, Алекс; Ти, Бенджамин С.-К .; Ток, Джеффри Б.-Х .; Бао, Чжэнань (2013-11-01). «25-жылдық мерейтойлық мақала: электронды терінің (электронды терінің) эволюциясы: қысқаша тарихы, дизайны және соңғы жетістіктері». Қосымша материалдар. 25 (42): 5997–6038. дои:10.1002 / adma.201302240. ISSN  1521-4095. PMID  24151185.
  6. ^ Бауэр, Зигфрид; Бауэр-Гогонея, Симона; Грац, Ингрид; Калтенбруннер, Мартин; Кеплингер, Кристоф; Шведауэр, Рейнхард (2014-01-01). «25 жылдық мерейтойлық мақала: жұмсақ болашақ: роботтар мен сенсорлық терілерден бастап энергия жинайтындарға дейін». Қосымша материалдар. 26 (1): 149–162. дои:10.1002 / adma.201303349. ISSN  1521-4095. PMC  4240516. PMID  24307641.
  7. ^ а б c г. e f ж сағ мен Ти, Бенджамин К-К.; Ван, Чао; Аллен, Ранульфо; Бао, Женань (желтоқсан 2012). «Электрлік және механикалық өзін-өзі қалпына келтіретін композиция, теріні электронды жағуға арналған қысым мен иілуге ​​сезімтал қасиеттері бар». Табиғат нанотехнологиялары. 7 (12): 825–832. Бибкод:2012NatNa ... 7..825T. дои:10.1038 / nnano.2012.192. ISSN  1748-3395. PMID  23142944.
  8. ^ а б c г. e f ж сағ мен Зоу, Жанан; Чжу, Ченгпу; Ли, Ян; Лэй, Сингфэн; Чжан, Вэй; Сяо, Цзянлианг (2018-02-01). «Динамикалық ковалентті термосете нанокомпозитті қолдана отырып қайта өңделетін, толықтай қайта өңделетін және иілгіш электронды тері». Ғылым жетістіктері. 4 (2): eaaq0508. Бибкод:2018SciA .... 4..508Z. дои:10.1126 / sciadv.aaq0508. ISSN  2375-2548. PMC  5817920. PMID  29487912.
  9. ^ а б Одиан, Джордж (2004). Полимерлеу принциптері. Джон Вили және ұлдары.
  10. ^ а б c г. О, Джин Янг; Рондо-Ганье, Саймон; Чиу, Ю-Чен; Чортос, Алекс; Лиссель, Франциска; Ванг, Гинг-Джи Натан; Шредер, Боб С .; Куросава, Таданори; Лопес, Джеффри (қараша 2016). «Органикалық транзисторларға арналған ішкі созылатын және емделетін жартылай өткізгіш полимер» (PDF). Табиғат. 539 (7629): 411–415. Бибкод:2016 ж. 539..411O. дои:10.1038 / табиғат20102. ISSN  1476-4687. PMID  27853213. S2CID  4401870.
  11. ^ Амендола, Валерия; Фаббрицци, Луиджи; Моска, Лоренцо (2010-09-17). «Анионды сутегімен байланыстыру арқылы тану: мочевина негізіндегі рецепторлар». Химиялық қоғам туралы пікірлер. 39 (10): 3889–915. дои:10.1039 / b822552b. ISSN  1460-4744. PMID  20818452.
  12. ^ Савагатруп, Сучол; Чжао, Сиканг; Чан, Эстер; Мэй, Цзянго; Липоми, Даррен Дж. (2016-10-01). «Сынған коньюгацияның жартылай өткізгіш полимерлердің созылғыштығына әсері». Макромолекулалық жедел байланыс. 37 (19): 1623–1628. дои:10.1002 / marc.201600377. ISSN  1521-3927. PMID  27529823.
  13. ^ а б c г. Нуньес, Карлос Гарсия; Наварадж, Уильям Таубе; Полат, Эмре О .; Дахия, Равиндер (2017-05-01). «Энергетикалық-автономды, икемді және мөлдір тактильді тері» (PDF). Жетілдірілген функционалды материалдар. 27 (18): жоқ. дои:10.1002 / adfm.201606287. ISSN  1616-3028.
  14. ^ а б Сегев-Бар, Мейтал; Ландман, Авигейл; Нир-Шапира, Маян; Шустер, Григорий; Хейк, Хоссам (2013-06-26). «Реттелетін сенсор және аралас сезімтал платформа: нанобөлшектерге негізделген электрондық теріге қарай». ACS қолданбалы материалдар және интерфейстер. 5 (12): 5531–5541. дои:10.1021 / am400757q. ISSN  1944-8244. PMID  23734966.
  15. ^ а б c Парк, Минхун; Парк, Ён Джу; Чен, Сян; Парк, Йон-Кю; Ким, Мин-Сеок; Анн, Джонг-Хён (2016-04-01). «MoS2 негізіндегі электронды теріге арналған тактильді сенсор». Қосымша материалдар. 28 (13): 2556–2562. дои:10.1002 / adma.201505124. ISSN  1521-4095. PMID  26833813.
  16. ^ Сантос, Андрей дос; Пинела, Нуно; Альвес, Педро; Сантос, Родриго; Фортунато, Эльвира; Мартинс, Родриго; Агуас, Гюго; Игрея, Руи (2018). «Лазермен ойып алынған қалыптармен жасалған пьезорезистикалық электронды тері датчиктері». Жетілдірілген электрондық материалдар. 4 (9): 1800182. дои:10.1002 / aelm.201800182. ISSN  2199-160X.
  17. ^ а б Мансфельд, Стефан С. Б .; Ти, Бенджамин К-К.; Столтенберг, Рендалл М.; Чен, Кристофер В. Х-Х .; Барман, Сумендра; Муир, Бейн В.О .; Соколов, Анатолий Н .; Риз, Колин; Бао, Женань (қазан 2010). «Микроқұрылымды резеңке диэлектрлік қабаттары бар жоғары сезімтал икемді қысым датчиктері». Табиғи материалдар. 9 (10): 859–864. Бибкод:2010NatMa ... 9..859M. дои:10.1038 / nmat2834. ISSN  1476-4660. PMID  20835231.
  18. ^ а б Ван, Чуан; Хван, Дэвид; Ю, Жибин; Такей, Кунихару; Парк, Джунву; Чен, Тереза; Ма, биву; Джави, Али (қазан 2013). «Қысымды лезде визуализациялауға арналған интерактивті электронды тері». Табиғи материалдар. 12 (10): 899–904. Бибкод:2013NatMa..12..899W. CiteSeerX  10.1.1.495.742. дои:10.1038 / nmat3711. ISSN  1476-4660. PMID  23872732.
  19. ^ Гуо, Хуаян; Лан, Чангён; Чжоу, Жифей; Күн, Пейхуа; Вэй, Дапенг; Ли, Чун (2017-05-18). «Электронды теріге арналған мөлдір, икемді және созылатын WS2 ылғалдылық сенсорлары». Наноөлшем. 9 (19): 6246–6253. дои:10.1039 / c7nr01016h. ISSN  2040-3372. PMID  28466937.
  20. ^ Ким, Джеймин; Ли, Минчеол; Шим, Хён Джун; Гаффари, Рузбех; Чо, Хи Рим; Ұлы, Донхи; Юнг, Ии Хван; Сох, Мин; Чой, Чансон (2014-12-09). «Тері протезіне арналған созылатын кремний нанориббонды электроника». Табиғат байланысы. 5: 5747. Бибкод:2014NatCo ... 5.5747K. дои:10.1038 / ncomms6747. PMID  25490072.