Carnegie Mellon werktuigbouwkundige onderzoekers hebben een nieuwe schaalbare en reproduceerbare productietechniek ontwikkeld die de mainstream acceptatie en commercialisering van zachte en rekbare elektronica zou kunnen versnellen.

De volgende generatie robottechnologie zal zachte machines en robots produceren die veilig en comfortabel zijn voor directe fysieke interactie met mensen en voor gebruik in kwetsbare omgevingen. In tegenstelling tot stijve elektronica, kan zachte en rekbare elektronica worden gebruikt om draagbare technologieën en implanteerbare elektronica te creëren waarbij veilig fysiek contact met biologisch weefsel en andere delicate materialen essentieel is.

Zachte robots die delicaat fruit en groenten veilig hanteren, kunnen de voedselveiligheid verbeteren door kruisbesmetting te voorkomen. Robots gemaakt van zachte materialen kunnen de onontgonnen diepten van de zee trotseren om delicate zeemonsters te verzamelen. En de vele biomedische toepassingen voor zachte robots omvatten draagbare en ondersteunende apparaten, prothesen, zachte hulpmiddelen voor chirurgie, hulpmiddelen voor het toedienen van medicijnen en de functie van kunstmatige organen.

Maar het creëren van deze bijna onmerkbare componenten die naadloos kunnen worden geïntegreerd met het menselijk leven, is slechts de eerste stap. De mainstream adoptie en commercialisering van zachte en rekbare elektronica vereist de ontwikkeling van nieuwe productietechnieken die schaalbaar en reproduceerbaar zijn.

Hoewel een verscheidenheid aan methoden al het vermogen heeft aangetoond om apparaten op basis van vloeibaar metaal op kleinere schaal in laboratoria te fabriceren, hebben deze methoden nog niet geleid tot de kritische combinatie van gewenste functies die nodig zijn om zachte en rekbare elektronica op basis van vloeibaar metaal te produceren op een commercieel haalbare schaal.

Een team van onderzoekers van Carnegie Mellon University's College of Engineering probeert dit te veranderen met een nieuwe methode die ze hebben ontwikkeld voor massaproductie van op vloeibaar metaal gebaseerde zachte en rekbare elektronische apparaten. Hun werk is gepubliceerd in Advanced Materials Technologies .

Kadri Bugra Ozutemiz, die onlangs zijn Ph.D. in de werktuigbouwkunde, heeft een nieuwe benadering ontwikkeld die schaalbaarheid, precisie en micro-elektronische compatibiliteit bereikt door het gebruik van vloeibaar metaal te combineren met fotolithografie en op wafels gebaseerde dompelcoating.

Ozutemiz, die samenwerkte met Carmel Majidi en Burak Ozdoganlar, beide professoren werktuigbouwkunde, legt uit dat vloeibare metalen de laatste jaren populair zijn geworden als geleider voor rekbare circuits om sensoren en antennes te maken, evenals zachte en rekbare bedrading voor verschillende elektronica en robotica toepassingen.

De op gallium gebaseerde legering, eutectisch gallium-indium (EGaIn), is vloeibaar bij kamertemperatuur, kan vrij in kanalen stromen, heeft een hoge elektrische geleidbaarheid en kan worden vervormd zolang het in een ander medium is ingekapseld.

"We moesten de inherente eigenschappen van op gallium gebaseerde vloeibare legeringen beter begrijpen om uitdagingen te overwinnen die ze ongeschikt maken voor massaproductie", zei Ozutemiz.

De belangrijkste uitdaging was dat zich snel een dunne galliumoxide "huid" vormt wanneer het vloeibare metaal wordt blootgesteld aan lucht, wat het moeilijk maakt om een ​​uniforme en continue vorm of geometrie te bereiken. Het vloeibare metaal plakt overal en stroomt in een grote verscheidenheid aan veranderlijke vormen.

"Ons team bedacht een nieuwe benadering die selectieve bevochtiging van metaallegeringen combineert die het vloeibare metaal in de gewenste circuitlay-out afzetten met een dompelcoatingproces dat de oxidehuid oplost die ontstaat wanneer EGaln wordt blootgesteld aan de lucht", legt Ozutemiz uit.

Dunne metalen sporen, gemaakt van betaalbaar en gemakkelijk verkrijgbaar koper, worden eerst lithografisch gepatroneerd op een elastomeeroppervlak als een bevochtigingslaag. De sporen dienen als sjablonen voor het selectief afzetten van de EGaln op het siliconenrubberen oppervlak.

Om de oxidehuid op te lossen met behoud van de selectieve afzetting van het vloeibare metaal, bedachten de onderzoekers een nieuwe aanpak die de selectieve bevochtiging van metaallegeringen combineerde met een dompelcoatingproces.

Dip-coating, die is gebruikt in de micro-elektronica-industrie, maar niet met vloeibare metalen, vergemakkelijkt de afzetting van EGaIn selectief op de circuitlay-out die wordt gedefinieerd door lithografisch gevormde kopersporen op met elastomeer gecoate wafels op een schaalbare manier.

Een geautomatiseerd, uiterst nauwkeurig bewegingssysteem en een tweelaags dompelbad worden gebruikt om de EGaIn op de van een patroon voorziene koperen bevochtigingslaag te deponeren. Het bad bevat een dunne laag waterige natriumhydroxide (NaOH) oplossing aan het bovenoppervlak, gevolgd door de EGaIn. De NaOH-oplossing vergemakkelijkt de verwijdering van oxidehuid en van eventuele oxidatie op het oppervlak van de kopersporen wanneer de wafel met patroon in het bad wordt gedompeld. De wafel wordt vervolgens ondergedompeld in het bad en na een korte verblijftijd wordt deze teruggetrokken met een voorgeschreven snelheid die de hoeveelheid vloeistof die op het substraat wordt afgezet, regelt.

De onderzoekers gebruikten een op maat gemaakte eenvoudige machine om de wafels in het bad te dopen. Door de onttrekkingssnelheid te regelen, produceerden ze met succes herhaalbare vloeibare metaalgeometrieën.

Bij toekomstige tests zullen ze parameters zoals de uittreksnelheid en de tijd dat de wafer in het bad blijft, controleren om beter te begrijpen welke invloed elke variabele heeft op de resulterende geometrie. Maar voor nu hebben ze een levensvatbaar proces ontwikkeld voor de massaproductie van circuits van vloeibaar metaal die kunnen worden gebruikt in een breed scala aan zachte robot- en elektronische toepassingen.

"Voor ons was het belangrijkste dat we herhaalbare resultaten behalen met een standaardproces dat al door chipfabrikanten wordt gebruikt", zei Ozutemiz, die uitlegde dat fabrikanten in staat zullen zijn om door een nieuw materiaal in een gevestigd proces te introduceren, schaalproductie die een bredere toepassing van deze innovatieve zachte robots en elektronische apparaten mogelijk zal maken. + Verder verkennen

Team ontwikkelt mechanisme voor bediening, koeling en energieconversie voor zachte robotica