Impilando e collegando strati di circuiti estensibili uno sopra l'altro, gli ingegneri hanno sviluppato un approccio per costruire soft, flessibile "elettronica 3-D stretchable" che può racchiudere molte funzioni pur rimanendo sottile e di piccole dimensioni. Il lavoro è pubblicato nel numero del 13 agosto di Elettronica della natura .

Come prova del concetto, un team guidato dall'Università della California di San Diego ha realizzato un cerotto elettronico estensibile che può essere indossato sulla pelle come una benda e utilizzato per monitorare in modalità wireless una varietà di segnali fisici ed elettrici, dalla respirazione, al movimento del corpo, alla temperatura, al movimento degli occhi, all'attività del cuore e del cervello. Il dispositivo, che è piccolo e grosso come una moneta da un dollaro USA, può essere utilizzato anche per controllare in modalità wireless un braccio robotico.

"La nostra visione è quella di realizzare un'elettronica estensibile 3D che sia multifunzionale e ad alte prestazioni come l'elettronica rigida di oggi, ", ha affermato l'autore senior Sheng Xu, un professore presso il Dipartimento di Nanoingegneria e il Centro per i sensori indossabili, entrambi presso la Jacobs School of Engineering della UC San Diego.

Xu è stato nominato tra i 35 innovatori Under 35 del MIT Technology Review nel 2018 per il suo lavoro in questo settore.

Per portare l'elettronica estensibile al livello successivo, Xu ei suoi colleghi stanno costruendo verso l'alto piuttosto che verso l'esterno. "L'elettronica rigida può offrire molte funzionalità con un ingombro ridotto:può essere facilmente prodotta con fino a 50 strati di circuiti tutti collegati in modo complesso, con un sacco di trucioli e componenti imballati densamente all'interno. Il nostro obiettivo è raggiungere questo obiettivo con l'elettronica estensibile, " disse Xu.

Il nuovo dispositivo sviluppato in questo studio è costituito da quattro strati interconnessi estensibili, circuiti flessibili. Ogni strato è costruito su un substrato di elastomero di silicone modellato con quello che viene chiamato un design a "ponte dell'isola". Ogni "isola" è una piccola, parte elettronica rigida (sensore, antenna, chip Bluetooth, amplificatore, accelerometro, resistore, condensatore, induttore, ecc.) che è attaccato all'elastomero. Le isole sono collegate da "ponti" elastici fatti di sottili, fili di rame a forma di molla, permettendo ai circuiti di allungarsi, piegare e torcere senza compromettere la funzione elettronica.

Fare collegamenti

Questo lavoro supera un ostacolo tecnologico alla costruzione di elettronica estensibile in 3-D. "Il problema non è impilare gli strati. Sta creando connessioni elettriche tra loro in modo che possano comunicare tra loro, " disse Xu. Questi collegamenti elettrici, noti come accessi di interconnessione verticale o VIA, sono essenzialmente piccoli fori conduttivi che attraversano diversi strati su un circuito. I VIA sono tradizionalmente realizzati utilizzando la litografia e l'incisione. Sebbene questi metodi funzionino bene su substrati elettronici rigidi, non funzionano su elastomeri estensibili.

Quindi Xu e i suoi colleghi si sono rivolti ai laser. Hanno prima mescolato un elastomero di silicone con un colorante organico nero in modo che potesse assorbire energia da un raggio laser. Quindi hanno modellato circuiti su ogni strato di elastomero, li accatastati, e poi colpisci determinati punti con un raggio laser per creare i VIA. in seguito, i ricercatori hanno riempito i VIA con materiali conduttivi per collegare elettricamente gli strati l'uno all'altro. E un vantaggio dell'uso dei laser, osserva Xu, è che sono ampiamente utilizzati nell'industria, quindi la barriera al trasferimento di questa tecnologia è bassa.

"Benda intelligente" multifunzionale

Il team ha costruito un dispositivo elettronico estensibile 3-D proof-of-concept, che hanno soprannominato una "benda intelligente". Un utente può attaccarlo su diverse parti del corpo per monitorare in modalità wireless diversi segnali elettrici. Se indossato sul petto o sullo stomaco, registra i segnali cardiaci come un elettrocardiogramma (ECG). Sulla fronte, registra i segnali del cervello come un mini sensore EEG, e quando posizionato sul lato della testa, registra i movimenti del bulbo oculare. Quando indossato sull'avambraccio, registra l'attività muscolare e può essere utilizzato anche per controllare a distanza un braccio robotico. La fasciatura intelligente monitora anche la respirazione, temperatura della pelle e movimento del corpo.

"Non avevamo un uso finale specifico per tutte queste funzioni combinate insieme, ma il punto è che possiamo integrare tutte queste diverse capacità di rilevamento sulla stessa piccola benda, " ha detto il co-primo autore Zhenlong Huang, che ha condotto questo lavoro come visiting Ph.D. studente nel gruppo di ricerca di Xu.

E i ricercatori non hanno sacrificato la qualità per la quantità. "Questo dispositivo è come un 'maestro di tutti i mestieri'. Abbiamo scelto l'alta qualità, sottocomponenti robusti:il miglior sensore di deformazione che abbiamo trovato sul mercato, l'accelerometro più sensibile, il sensore ECG più affidabile, Bluetooth di alta qualità, ecc. e ha sviluppato un modo intelligente per integrare tutti questi in un unico dispositivo estensibile, " ha aggiunto il co-primo autore Yang Li, uno studente laureato in nanoingegneria alla UC San Diego nel gruppo di ricerca di Xu.

Finora, la benda intelligente può durare per più di sei mesi senza alcun calo delle prestazioni, elasticità o flessibilità. Può comunicare in modalità wireless con uno smartphone o un laptop fino a 10 metri di distanza. Il dispositivo funziona su un totale di circa 35,6 milliwatt, che è equivalente alla potenza di 7 puntatori laser.

Il team lavorerà con partner industriali per ottimizzare e perfezionare questa tecnologia. Sperano di testarlo in contesti clinici in futuro.