I ricercatori di ingegneria meccanica di Carnegie Mellon hanno sviluppato una nuova tecnica di produzione scalabile e riproducibile che potrebbe accelerare l'adozione e la commercializzazione mainstream dell'elettronica morbida ed estensibile.

La prossima generazione di tecnologia robotica produrrà macchine e robot morbidi che sono sicuri e confortevoli per l'interazione fisica diretta con gli esseri umani e per l'uso in ambienti fragili. A differenza dell'elettronica rigida, l'elettronica morbida ed estensibile può essere utilizzata per creare tecnologie indossabili ed elettronica impiantabile in cui è essenziale un contatto fisico sicuro con tessuti biologici e altri materiali delicati.

I robot morbidi che gestiscono in sicurezza frutta e verdura delicata possono migliorare la sicurezza alimentare prevenendo la contaminazione incrociata. Robot realizzati con materiali morbidi possono sfidare le profondità inesplorate del mare per raccogliere delicati esemplari marini. E le numerose applicazioni biomediche per i robot morbidi includono dispositivi indossabili e assistivi, protesi, strumenti morbidi per la chirurgia, dispositivi per la somministrazione di farmaci e funzioni di organi artificiali.

Ma creare questi componenti quasi impercettibili che possono integrarsi perfettamente con la vita umana è solo il primo passo. L'adozione e la commercializzazione tradizionali di elettronica morbida ed estensibile richiederà lo sviluppo di nuove tecniche di produzione che siano scalabili e riproducibili.

Sebbene una varietà di metodi abbia già dimostrato la capacità di fabbricare dispositivi a base di metallo liquido su scala ridotta nei laboratori, questi metodi non hanno ancora portato alla combinazione critica delle caratteristiche desiderate richieste per produrre elettronica morbida ed estensibile a base di metallo liquido su scala commercialmente valida.

Un team di ricercatori del College of Engineering della Carnegie Mellon University cerca di cambiare questa situazione con un nuovo metodo che hanno sviluppato per la produzione in serie di dispositivi elettronici morbidi ed estensibili a base di metallo liquido. Il loro lavoro è stato pubblicato in Advanced Materials Technologies .

Kadri Bugra Ozutemiz, che ha recentemente conseguito il dottorato di ricerca. in ingegneria meccanica, ha sviluppato un nuovo approccio che ottiene scalabilità, precisione e compatibilità microelettronica combinando l'uso del metallo liquido con la fotolitografia e il rivestimento a immersione a base di wafer.

Ozutemiz, che ha lavorato con Carmel Majidi e Burak Ozdoganlar, entrambi professori di ingegneria meccanica, spiega che i metalli liquidi sono diventati popolari negli ultimi anni come conduttori di circuiti estensibili per creare sensori e antenne, nonché cablaggi morbidi ed estensibili per vari dispositivi elettronici e robotici applicazioni.

La lega a base di gallio, gallio-indio eutettico (EGaIn), è liquida a temperatura ambiente, può fluire liberamente all'interno dei canali, ha un'elevata conduttività elettrica e può essere deformata purché incapsulata in un altro mezzo.

"Dovevamo comprendere meglio le proprietà intrinseche delle leghe liquide a base di gallio per superare le sfide che le rendono inadatte alla produzione di massa", ha affermato Ozutemiz.

La sfida più significativa era che una sottile "pelle" di ossido di gallio si forma rapidamente quando il metallo liquido viene esposto all'aria, il che rende difficile ottenere una forma o una geometria uniforme e continua. Il metallo liquido si attacca ovunque, sfociando in un'ampia varietà di forme mutevoli.

"Il nostro team ha ideato un nuovo approccio che combina la bagnatura selettiva di leghe metalliche che deposita il metallo liquido nel layout del circuito desiderato con un processo di rivestimento per immersione che dissolve la pelle di ossido che si ottiene quando Egaln viene esposto all'aria", ha spiegato Ozutemiz.

Tracce di metallo sottile, realizzate in rame conveniente e facilmente reperibile, vengono prima modellate litograficamente su una superficie di elastomero come strato bagnante. Le tracce servono come modelli per depositare selettivamente l'EGaln sulla superficie della gomma siliconica.

Per dissolvere la pelle di ossido mantenendo la deposizione selettiva del metallo liquido, i ricercatori hanno ideato un nuovo approccio che combinava la bagnatura selettiva di leghe metalliche con un processo di rivestimento per immersione.

Il rivestimento a immersione, che è stato utilizzato nell'industria microelettronica, ma non con metalli liquidi, facilita la deposizione di EGaIn in modo selettivo sul layout del circuito definito da tracce di rame modellate litograficamente su wafer rivestiti con elastomero in modo scalabile.

Un sistema di movimento automatizzato ad alta precisione e un bagno di immersione a due strati vengono utilizzati per depositare l'EGaIn sullo strato bagnante di rame modellato. Il bagno comprende uno strato sottile di soluzione acquosa di idrossido di sodio (NaOH) sulla superficie superiore, seguito da EGaIn. La soluzione di NaOH facilita la rimozione della pelle di ossido e di qualsiasi ossidazione sulla superficie delle tracce di rame quando la fetta modellata viene immersa nel bagno. Il wafer viene quindi immerso nel bagno e, dopo un breve tempo di sosta, viene prelevato ad una velocità prescritta che controlla la quantità di liquido depositato sul supporto.

I ricercatori hanno utilizzato una semplice macchina su misura per immergere i wafer nella vasca da bagno. Controllando la velocità di prelievo, hanno prodotto con successo geometrie di metallo liquido ripetibili.

Nei test futuri, lavoreranno per controllare parametri come la velocità di prelievo e la quantità di tempo che il wafer rimane nel bagno al fine di comprendere meglio l'effetto che ciascuna variabile ha sulla geometria risultante. Ma per ora, hanno stabilito un processo praticabile per la produzione in serie di circuiti di metallo liquido che possono essere utilizzati in un'ampia varietà di applicazioni di robotica morbida ed elettronica.

"Per noi, la cosa più importante era ottenere risultati ripetibili con un processo standard già utilizzato dai produttori di chip", ha affermato Ozutemiz, che ha spiegato che introducendo un nuovo materiale in un processo consolidato, i produttori saranno in grado di produzione su larga scala che consentirà un'adozione più diffusa di questi innovativi robot morbidi e dispositivi elettronici. + Esplora ulteriormente

Il team sviluppa un meccanismo per controllare l'attuazione, il raffreddamento e la conversione di energia per la robotica morbida