Genom att stapla och ansluta lager av töjbara kretsar ovanpå varandra, ingenjörer har utvecklat en metod för att bygga mjuka, smidig "3-D stretchbar elektronik" som kan packa många funktioner samtidigt som den är tunn och liten. Verket publiceras i 13 augusti -numret av Naturelektronik .

Som ett bevis på konceptet, ett team under ledning av University of California San Diego har byggt ett töjbart elektroniskt plåster som kan bäras på huden som ett bandage och användas för att trådlöst övervaka en mängd olika fysiska och elektriska signaler, från andning, till kroppsrörelser, till temperatur, till ögonrörelser, till hjärt- och hjärnaktivitet. Enheten, som är lika litet och tjockt som ett mynt i US-dollar, kan även användas för att trådlöst styra en robotarm.

"Vår vision är att göra 3-D stretchbar elektronik som är lika multifunktionell och högpresterande som dagens styva elektronik, " sa seniorförfattaren Sheng Xu, en professor vid institutionen för nanoteknik och centrum för bärbara sensorer, båda vid UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Xu utsågs till MIT Technology Reviews 35 Innovators Under 35-lista 2018 för sitt arbete inom detta område.

För att ta töjbar elektronik till nästa nivå, Xu och hans kollegor bygger uppåt snarare än utåt. "Styv elektronik kan erbjuda mycket funktionalitet på ett litet fotavtryck - de kan enkelt tillverkas med så många som 50 lager av kretsar som alla är intrikat sammankopplade, med mycket chips och komponenter packade tätt inuti. Vårt mål är att uppnå det med töjbar elektronik, " sa Xu.

Den nya enheten som utvecklats i denna studie består av fyra lager av sammankopplade töjbara, flexibla kretskort. Varje lager är byggt på ett silikonelastomersubstrat mönstrat med vad som kallas en "ö-bro"-design. Varje "ö" är en liten, styv elektronisk del (sensor, antenn, Bluetooth-chip, förstärkare, accelerometer, motstånd, kondensator, induktor, etc.) som är fäst vid elastomeren. Öarna är förbundna med stretchiga "broar" gjorda av tunna, fjäderformade koppartrådar, låta kretsarna sträcka sig, böj och vrid utan att kompromissa med elektronisk funktion.

Att skapa kopplingar

Detta arbete övervinner en teknisk vägspärr för att bygga töjbar elektronik i 3D. "Problemet är inte att stapla lagren. Det skapar elektriska anslutningar mellan dem så att de kan kommunicera med varandra, "sa Xu. Dessa elektriska anslutningar, känd som vertikala sammankopplingsåtkomster eller VIA, är i huvudsak små ledande hål som går genom olika lager på en krets. VIA tillverkas traditionellt med litografi och etsning. Även om dessa metoder fungerar bra på styva elektroniska substrat, de fungerar inte på töjbara elastomerer.

Så Xu och hans kollegor vände sig till laser. De blandade först silikonelastomer med ett svart organiskt färgämne så att det kunde absorbera energi från en laserstråle. Sedan skapade de kretsar på varje lager av elastomer, staplade dem, och träffa sedan vissa punkter med en laserstråle för att skapa VIA. Efteråt, forskarna fyllde i VIA med ledande material för att elektriskt koppla skikten till varandra. Och en fördel med att använda laser, noterar Xu, är att de används i stor utsträckning inom industrin, så barriären för att överföra denna teknik är låg.

Multifunktionellt 'smart bandage'

Teamet byggde en proof-of-concept 3-D stretchbar elektronisk enhet, som de har kallat ett "smart bandage". En användare kan fästa den på olika delar av kroppen för att trådlöst övervaka olika elektriska signaler. När den bärs på bröstet eller magen, det registrerar hjärtsignaler som ett elektrokardiogram (EKG). På pannan, den registrerar hjärnsignaler som en mini EEG-sensor, och när den placeras på sidan av huvudet, den registrerar ögonglobens rörelser. När den bärs på underarmen, den registrerar muskelaktivitet och kan även användas för att fjärrstyra en robotarm. Det smarta bandaget övervakar också andningen, hudtemperatur och kroppsrörelser.

"Vi hade ingen specifik slutanvändning för alla dessa funktioner tillsammans, men poängen är att vi kan integrera alla dessa olika avkänningsfunktioner på samma lilla bandage, " sa medförfattaren Zhenlong Huang, som utförde detta arbete som gästdoktor. student i Xus forskargrupp.

Och forskarna offrade inte kvalitet för kvantitet. "Den här enheten är som en "mästare i alla branscher." Vi valde hög kvalitet, robusta delkomponenter – den bästa töjningssensorn vi kunde hitta på marknaden, den känsligaste accelerometern, den mest pålitliga EKG-sensorn, högkvalitativ Bluetooth, etc. — och utvecklade ett smart sätt att integrera alla dessa i en töjbar enhet, " lade till medförfattare Yang Li, en doktorand i nanoteknik vid UC San Diego i Xus forskargrupp.

Än så länge, det smarta bandaget kan hålla i mer än sex månader utan någon minskning av prestanda, töjbarhet eller flexibilitet. Den kan kommunicera trådlöst med en smartphone eller bärbar dator upp till 10 meter bort. Enheten körs på totalt cirka 35,6 milliwatt, vilket motsvarar kraften från 7 laserpekare.

Teamet kommer att arbeta med industriella partners för att optimera och förfina denna teknik. De hoppas kunna testa det i kliniska miljöer i framtiden.