Sträckbara elektroniska kretsar är avgörande för mjuk robotik, bärbar teknologi, och biomedicinska tillämpningar. De nuvarande sätten att göra dem, fastän, har begränsat sin potential.

Ett team av forskare i Yale-labbet av Rebecca Kramer-Bottiglio, John J. Lee biträdande professor i maskinteknik och materialvetenskap, har utvecklat en material- och tillverkningsprocess som snabbt kan göra dessa enheter stretchigare, mer hållbara, och närmare att vara redo för masstillverkning. Resultaten publiceras i tidskriften Naturmaterial .

En av de största utmaningarna för detta område av elektronik är att på ett tillförlitligt sätt ansluta töjbara ledare med de styva material som används i kommersiellt tillgängliga elektronikkomponenter, såsom motstånd, kondensatorer, och lysdioder (LED).

"Problemet är att det är svårt att koppla ihop något mjukt med något stelt, sa Shanliangzi Liu, huvudförfattare till uppsatsen och en före detta Ph.D. student i Kramer-Bottiiglios labb. När de töjbara materialen böjs och förlängs, en stor skjuvkraft utvecklas vid gränssnittet och sliter ofta isär anslutningen för att göra kretsen oanvändbar.

Ett material känt som eutektiskt gallium-indium (eGaIn), som bibehåller en flytande form vid rumstemperatur, har använts för anslutningar i töjbar elektronik, men dess höga ytspänning hindrar den från att ansluta ordentligt till styva komponenter. Olika strategier har använts för att komma runt detta problem, men på bekostnad av att begränsa sträckbarheten och hållbarheten hos de resulterande kretsarna.

Kramer-Bottiglios labb tog ett annat tillvägagångssätt genom att använda eGaIn-nanopartiklar för att utveckla ett nytt material - bifasiskt Ga-In (bGaIn) - som har både fasta och flytande element. Vid uppvärmning till 900 grader C, en nanopartikelfilm av eGaIn ändrar form, utvecklar en tunn, fast oxidlager på toppen med ett tjockt lager av fasta partiklar inbäddade i flytande eGaIn. När den skalas av, materialet överförs till töjbara underlag, liknande hur tillfälliga tatueringar fungerar.

Med ett robust gränssnitt mellan bGaIn och styva elektroniska komponenter, resultatet är ett töjbart kretskort som fungerar lika bra som ett konventionellt, även under höga belastningar. Tillvägagångssättet öppnar möjligheter att skapa töjbara kretsar för ett brett spektrum av industriella applikationer, inklusive mjuka displayer och smarta plagg.

För att demonstrera processen, teamet använde det för att bygga ett antal enheter, inklusive en förstärkarkrets som kan sträckas till minst fem gånger sin ursprungliga längd, en töjbar "Yale" LED-array, och ett flerlagers signalkonditioneringskretskort integrerat med en töjbar sensor fäst vid ytan av en användares skjortärm. Kretsarna applicerades också på en latexballong och "handskrivna" på ett mycket poröst skum.

"Nyckeln här är att hela kretsen är töjbar, " sa medförfattaren Dylan Shah, en Ph.D. student i Kramer-Bottiglios labb. "Tidigare kretsar som användes i mjuka robotar hade en kombination av små områden som inte sträckte sig, och sedan sträckbara områden. Eftersom våra kretsar har en ledare och gränssnitt som båda är töjbara, de är mycket mer elastiska och flexibla."

För denna studie, forskarna använde transfertryck, vilket kräver ett manuellt steg. Liu, som nu är postdoktor vid Northwestern University, sa att ett av nästa steg med forskningen är att modifiera bGaIn-bläcket för tryckbarhet, så att den sömlöst kan integreras i tillverkningslinjer för automatiserade kretsar.