Rekbare sensormaterialen verbeteren elektronica-prestaties onder spanning

Onze lichamen zenden heel wat signalen uit — chemicaliën, elektrische pulsen, mechanische verschuivingen — die een rijkdom aan informatie over onze gezondheid kunnen leveren. Maar elektronische sensoren die deze signalen kunnen detecteren, zijn vaak gemaakt van broos, anorganisch materiaal dat hen voorkomt te rekken en buigen op de huid of in het lichaam. Recente vooruitgang hebben rekbare sensoren mogelijk gemaakt, maar hun vormveranderingen kunnen de geproduceerde data beïnvloeden en veel sensoren kunnen niet de zwakste signalen van het lichaam verzamelen en verwerken.

Een nieuw sensorontwerp integreert een gepatenteerd materiaal dat spanningsverdeling onder transistoren optimaliseert, wat rekbare elektronica creëert die minder gecompromitteerd is door deformatie. De onderzoekers creëerden ook verschillende circuitelementen met het ontwerp, wat kan leiden tot nog meer typen rekbare elektronica.

Om de elektronica te ontwerpen, gebruikten de onderzoekers een gepatenteerd strain-distributieconcept. Bij het creëren van de transistor, gebruikten ze substraten gemaakt van elastomeer — een elastisch polymer. Ze varieerden de dichtheid van de elastomeerlagen, wat betekent dat sommige zacht bleven terwijl andere stijver waren terwijl ze nog steeds elastisch waren. De stijvere lagen — "elastiff" genoemd door de onderzoekers — werden gebruikt voor de actieve elektronische gebieden.

Het resultaat was transistor-arrays die bijna dezelfde elektrische prestaties hadden wanneer ze gerekt en gebogen waren als wanneer ze ongedeformeerd waren. In feite hadden ze minder dan vijf procent prestatievariatie wanneer gerekt met tot 100 procent strain. Het team gebruikte het concept ook om andere schakelingonderdelen te ontwerpen en te fabriceren, inclusief NOR-poorten, ring-oscillatoren, en versterkers. NOR-poorten worden gebruikt in digitale circuits, terwijl ring-oscillatoren gebruikt worden in radio-frequency identification (RFID) technologie. Door deze onderdelen met succes rekbaar te maken, konden de onderzoekers nog complexere elektronica maken.

De rekbare versterker die ze ontwikkelden is onder de eerste huid-achtige circuits die in staat zijn om zwakke electrofysiologische signalen te versterken — tot een paar millivolt. Dat is belangrijk voor het detecteren van de zwakste signalen van het lichaam zoals die van spieren. De signalen kunnen verwerkt en versterkt worden direct op de huid.

Het ontwerp wordt beoordeeld als een diagnostisch hulpmiddel voor ALS. Door signalen van spieren te meten, hopen de onderzoekers de ziekte beter te diagnosticeren terwijl ze kennis vergaren over hoe de ziekte het lichaam beïnvloedt. Ze hopen ook het ontwerp te testen in elektronica die in het lichaam geïmplanteerd kan worden en sensoren te creëren voor allerlei lichamelijke signalen.