Ученые из Университета Миннесоты разработали технологию 3D-печати гибких датчиков давления на коже. Эта технология поможет в развитии носимой электроники. Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.

Развитие носимой электроники и 3D-печать – одни из главных технологических тенденций последних лет. Инженеры из Университета Миннесоты решили совместить их и создавать с помощью 3D-принтера накожные электронные датчики.

Поскольку датчики должны быть биологически совместимы, исследователям пришлось создавать материалы для печати, которые отвечали бы сразу нескольким параметрам: гибкость, электрическая проводимость, возможность печати без использования в процессе жестких условий, таких как высокая температура спекания или интенсивное излучение.

College of Science and Engineering, UMN / YouTube

Идеальным кандидатом на роль такого материала, по идее ученых, должен стать «раствор» субмикрометровых частиц серебра в силиконовом эластичном полимере, который застывает при комнатной температуре. Исследователи подобрали такую концентрацию серебра (68 массовых процентов) в среде, что в обычных условиях материал очень слабо проводит ток, однако резко — в сотни раз — увеличивает проводимость под давлением. Происходит это за счет того, что в обычном состоянии «сетка» из частиц серебра в объеме эластомера не до конца сформирована, но даже при небольшом сдавливании частицы распологаются более плотно, что позволяет току протекать через материал. Этот эффект стал основой разрабатываемых датчиков.

Этапы создания датчиков. Shuang-Zhuang Guo et al. / Advanced Materials, 2017

Для демонстрации эффективности подхода ученые модифицировали коммерчески-доступный 3D-принтер. Прибор имел четыре независимых сопла для четырех разных составов: чистый силиконовый эластомер, материал для электродов (75 массовых процентов серебра в эластомере), материал для сенсора (68 массовых процентов серебра в эластомере) и смываемый водой вспомогательный полимер (полоксамер), который выполнял роль поддержки на время застывания остальных слоев.

Создание датчика состояло из нескольких этапов. Сначала создавалась подложка из силикона, на которую наносился силиконовый электрод. В центре электрода печатался чувствительный к давлению спиралевидный сенсор. Вокруг него наносился изолирующий слой силикона и поддерживающий полимер. Сверху сенсора также печатался электрод. После застывания материалов поддерживающий слой из полоксамера растворяли в воде.

Полученные датчики прикрепляли к пальцам и измеряли изменение проводимости в разных условиях: нажатие пальцем, сгибания пальца в суставе. Ученые обнаружили, что изменение проводимости зависит от типа нагрузки. Таким образом датчик может не только детектировать движение, но и определять его тип. Также, прикрепив датчик к артерии ученые смогли точно определять пульс испытуемого.

На модели человеческой руки ученые продемонстрировали, что потенциально с помощью их технологии можно печатать датчики прямо на человеческой коже в течение нескольких минут.

Ученые считают, что их разработка потенциально готова к массовому внедрению. В дальнейшем они планируют провести испытания на настоящей коже, а также разработать полупроводниковый состав для печати.

Существует множество разработок носимых и имплантируемых датчиков, к примеру, накожная система для анализа пота на основе микрофлюидики, тянущийся гидрогель, внутри которого можно размещать различные сенсоры, или биосовместимые растягивающиеся проводники.

Автор: Григорий Копиев