Draagbare sensoren revolutioneren: Ultra-snelle, binder-vrije productie met elektrostatisch printen

Ying Zhong, assistent professor Werktuigbouwkunde aan de Universiteit van South Florida, en haar team hebben een nieuwe manier uitgevonden om draagbare sensoren te printen zonder polymere bindmiddelen. Ze noemen hun product e-skin.

Tech Briefs: Wat gaf je het idee om elektrostatische kracht te gebruiken voor het printen van flexibele sensoren?

Professor Ying Zhong: We hadden sommige medewerkers die flexibele apparaten produceerden — ze printten ze met schermprinten. Dat betekent dat je functionele poeders met bindmiddelen moet mengen, ze verwarmen en wachten tot ze drogen, wat lang duurt. Dus we keken naar manieren om sneller te printen, zonder de verhitting en droging.

Ik had aan een ander interessant project gewerkt: corona-ontlading gebruiken om het oppervlak van polymere films te behandelen. We realiseerden ons dat de corona een uniek type sterk elektrisch veld kon genereren dat we konden gebruiken om kleine objecten op te tillen. Dat deed ons afvragen of het mogelijk was om droge poeders onder de film te plaatsen om de poeders direct aan het substraat te trekken — we probeerden het en het werkte.

We ontdekten een probleem en realiseerden ons dat een technologie waar we al aan werkten de oplossing kon zijn.

Tech Briefs: Ik denk dat dat de manier is waarop vooruitgang in technologie vaak gebeurt. Mijn volgende vraag is: zodra de deeltjes aan het substraat getrokken worden, hoe worden ze daar gehouden?

Zhong: Zoals we in ons gepubliceerde artikel beschreven, gebruiken we acht-micrometer-dik medisch tape, dat een lijmlaag heeft om de deeltjes vast te houden. Het is zo dun dat je het niet voelt als je het op je huid plakt.

Tech Briefs: Hoe zou je verschillende soorten sensoren incorporeren wanneer je dit produceert?

Zhong: Deze printtechnologie is "universeel" — het kan verschillende typen functionele materialen printen. Zo kunnen we bijvoorbeeld grafene of koolstofnanobuizen (CNTs) gebruiken, die resistiviteit veranderen om de verandering in rek weer te geven. Het werkingsmechanisme is dat rek de afstand tussen de deeltjes verandert, wat een verandering in weerstand veroorzaakt die de grootte van de rek in de sensor weerspiegelt.

We hebben ook een temperatuursensor gebaseerd op thermochrome poeders in ons artikel gerapporteerd. Zoals ik zei, dit is een universele printtechnologie — je kunt verschillende typen functionele materialen printen. Nu tonen we aan dat we temperatuurgevoelige tatoeages kunnen printen die van kleur veranderen wanneer de temperatuur verandert. We proberen ook materialen te printen die gevoelig kunnen zijn voor vochtigheid en verschillende typen gassen zoals ammonia, koolmonoxide en anderen.

Tech Briefs: Heb je gedacht over hoe dit commercieel geïmplementeerd kan worden? Het lijkt me dat je een heel andere soort 3D-printer zou moeten bouwen.

Zhong: Ja, we werken momenteel samen met Jabil, inc. om een roll-to-roll-systeem te bouwen, wat je in staat stelt apparaten met hoge snelheid te produceren. Omdat we geen bindmiddelen gebruiken, hoeven we geen warmte toe te passen en dan te wachten tot het materiaal droogt. Dat betekent dat door dit roll-to-roll-systeem te gebruiken om te printen — om de elektrostatische kracht te genereren — we flexibele apparaten en zelfs 3D-structuren met een hoge snelheid en lage kosten kunnen produceren.

Tech Briefs: Is het moeilijk om de hoge spanning te genereren en te hanteren die nodig is om corona te produceren?

Zhong: Hoewel we 20 tot 30 kilovolt nodig hebben om de corona te genereren, is de stroom heel laag, lager dan 0,1 mA — onze labapparatuur gebruikt minder dan 2 watt vermogen — het is zeer energiezuinig.

Tech Briefs: Is het een probleem om te zorgen dat de hoge spanning geen schade kan veroorzaken?

Zhong: Natuurlijk moet je het systeem managen en alle omringende geleidende gebieden afdekken. Gebaseerd op onze observaties, zolang je de houder voor de elektrode met isolerende lagen afdekt, zou het prima moeten werken — we liepen niet te veel problemen tegen.

Tech Briefs: Welk soort materiaal gebruik je voor de afdekking?

Zhong: Voor nu gebruiken we in ons lab gewoon isolerende tapes. In de toekomst plannen we een beter gecontroleerd oppervlaktecoating of isolerende houders te creëren, wat gemakkelijk gedaan kan worden. We kunnen polymeren gebruiken om de coating te realiseren, en 3D-printers om het prototype te produceren. We hebben meerdere polymer-gerelateerde projecten in mijn lab, dus dat zou makkelijk moeten zijn.

Tech Briefs: Heb je andere toepassingen in gedachten naast je "e-skin" reksensor?

Zhong: Ja, bijvoorbeeld, we hebben met een bedrijf gesproken over het maken van slimme reksensor-tapijten, wat praktisch wordt omdat onze een heel laagkost en ultrasnelle productietechnologie is die gebruikt kan worden om groot-oppervlakte producten te printen. Het idee is om tapijt te produceren dat kan identificeren hoeveel mensen erop staan. Je zou dan, bijvoorbeeld, de energieverbruik van het HVAC-systeem kunnen aanpassen op basis van het aantal bezitters in een kamer.

We werken ook samen met een collega aan een toepassing voor fysieke revalidatie. Onze collega werkt met mensen die moeite hebben het gedrag van hun benen te controleren. Omdat onze sensor ultra-dun is, is het heel comfortabel en je kunt het groot genoeg maken om te dragen. Dat kan gebruikt worden om hen te helpen identificeren hoe ze het gedrag van hun benen beter kunnen controleren.

Er zijn veel mogelijke toekomstige toepassingen. Bijvoorbeeld, je kan het aan een robotshand bevestigen. Als je wilt dat het iets oppakt, kan het voelen hoeveel druk er wordt toegepast en hoeveel oppervlak het in contact is met.

Tech Briefs: Heb je een ruwe gok wanneer dit klaar zou kunnen zijn voor commercieel gebruik?

Zhong: Op dit moment werken we met Jabil om een klein roll-to-roll-systeem in ons lab op te zetten. Als dat goed werkt, zullen we het bij Jabil opzetten en hen helpen sensoren in grote aantallen of grote formaten te produceren. Dat kan drie tot vijf jaar duren, maar vooral deze dagen is het moeilijk om te voorspellen.

Een bewerkte versie van dit interview verscheen in de januari 2022 editie van Tech Briefs.