Revolusi Sensor Dapat Ditekan: Manufaktur Cepat dan Tanpa Pengikat dengan Cetak Elektrostatik

Ying Zhong, Asisten Profesor Teknik Mesin di Universitas Florida Selatan, dan timnya telah menciptakan cara baru untuk mencetak sensor dapat ditekan tanpa pengikat polimer. Mereka menyebut produknya e-skin.

Tech Briefs: Apa yang memberimu ide untuk menggunakan gaya elektrostatik untuk mencetak sensor fleksibel?

Profesor Ying Zhong: Kami memiliki beberapa mitra yang memproduksi perangkat fleksibel — mencetaknya dengan cetak layar. Itu berarti Anda harus mencampur bubuk fungsional dengan pengikat, memanaskannya, dan menunggu hingga kering, yang memakan waktu lama. Jadi, kami mencari cara untuk mencetak dengan lebih cepat, tanpa pemanasan dan pengeringan.

Saya telah bekerja pada proyek menarik lain: menggunakan corona discharge untuk merawat permukaan film polimer. Kami menyadari bahwa corona dapat menghasilkan jenis medan listrik kuat yang unik yang dapat kita gunakan untuk mengangkat objek kecil. Itu membuat kami bertanya-tanya apakah mungkin untuk menempatkan bubuk kering di bawah film untuk menarik bubuk secara langsung ke substrat — kami mencoba dan berhasil.

Kami menemukan masalah dan menyadari bahwa teknologi yang sudah kami kerjakan bisa menjadi solusinya.

Tech Briefs: Saya pikir itu adalah cara kemajuan sering terjadi dalam teknologi. Pertanyaan selanjutnya saya adalah ketika partikel tertarik ke substrat, bagaimana mereka dipertahankan di sana?

Zhong: Seperti yang kami jelaskan dalam makalah terbitan kami, kami menggunakan perekat medis tebal 8 mikrometer, yang memiliki lapisan perekat untuk memegang partikel. Ia begitu tipis sehingga saat Anda menempelkannya pada kulit Anda, Anda tidak akan merasakannya.

Tech Briefs: Bagaimana Anda akan menggabungkan berbagai jenis sensor saat memproduksi ini?

Zhong: Teknologi pencetakan ini “universal” — dapat mencetak berbagai jenis materi fungsional. Jadi, misalnya, kami dapat menggunakan grafena atau nanowabu karbon (CNT), yang mengubah resistivitas untuk mencerminkan perubahan regangan. Mekanisme kerjanya adalah regangan mengubah jarak antara partikel, menyebabkan perubahan resistansi yang mencerminkan besarnya regangan pada sensor.

Kami juga telah melaporkan sensor suhu berdasarkan bubuk termokromik dalam makalah kami. Seperti yang saya katakan, ini adalah teknologi pencetakan universal — Anda dapat mencetak berbagai jenis materi fungsional. Sekarang kami mendemonstrasikan bahwa kami dapat mencetak tato sensitif suhu yang berubah warna ketika suhu berubah. Kami juga mencoba mencetak materi yang dapat sensitif terhadap kelembaban dan berbagai jenis gas seperti ammonia, karbon monoksida, dan lain-lain.

Tech Briefs: Apakah Anda pernah memikirkan bagaimana ini dapat diimplementasikan secara komersial. Menurut saya Anda harus membangun jenis printer 3D yang sepenuhnya berbeda.

Zhong: Ya, saat ini kami bekerjasama dengan Jabil, inc. untuk membangun sistem gulir-ke-gulir, yang dapat memungkinkan Anda memproduksi perangkat dengan kecepatan tinggi. Karena kami tidak menggunakan pengikat, kami tidak perlu memanaskan dan kemudian menunggu materi mengering. Itu berarti dengan menggunakan sistem gulir-ke-gulir untuk mencetak — untuk menghasilkan gaya elektrostatik — kami dapat memproduksi perangkat fleksibel dan bahkan struktur 3D dengan cepat dan dengan biaya rendah.

Tech Briefs: Apakah sulit untuk menghasilkan dan menangani tegangan tinggi yang diperlukan untuk menghasilkan corona?

Zhong: Meskipun kami membutuhkan 20 hingga 30 kilovolt untuk menghasilkan corona, arusnya sangat rendah, lebih rendah dari 0,1 mA — peralatan laboratorium kami menggunakan kurang dari 2 watt daya— itu sangat hemat energi.

Tech Briefs: Apakah masalah untuk memastikan bahwa tegangan tinggi tidak dapat menyebabkan bahaya?

Zhong: Nah, tentu Anda harus mengelola sistem dan menutup semua area konduktif di sekitarnya. Berdasarkan pengamatan kami, selama Anda menutup penahan elektroda dengan lapisan isolasi, itu harus bekerja dengan sangat baik — kami tidak mengalami terlalu banyak masalah dengan itu.

Tech Briefs: Apa jenis materi yang Anda gunakan untuk penutup?

Zhong: Untuk saat ini, di laboratorium kami kami hanya menggunakan perekat isolasi. Di masa depan kami berencana untuk menciptakan lapisan permukaan yang lebih terkontrol atau penahan isolasi, yang dapat dilakukan dengan mudah. Kami dapat menggunakan polimer untuk mewujudkan lapisan, dan printer 3D untuk memproduksi prototipe. Kami memiliki beberapa proyek terkait polimer di laboratorium saya, jadi itu harus mudah.

Tech Briefs: Apakah Anda memiliki aplikasi lain di pikiran selain sensor regangan “e-skin” Anda?

Zhong: Ya, misalnya, kami telah berbicara dengan sebuah perusahaan tentang pembuatan karpet cerdas yang merasakan regangan, yang menjadi praktis karena kami adalah teknologi manufaktur yang sangat rendah biaya dan ultra-cepat yang dapat digunakan untuk mencetak produk luas area. Ideannya adalah untuk menghasilkan karpet yang dapat mengidentifikasi berapa banyak orang yang berdiri di atasnya. Anda kemudian dapat, misalnya, menyesuaikan konsumsi energi sistem HVAC berdasarkan jumlah penempati di dalam ruangan.

Kami juga bekerjasama dengan rekan satu aplikasi untuk rehabilitasi fisik. Rekan kami bekerja dengan orang yang mengalami kesulitan mengontrol perilaku kaki mereka. Karena sensor kami ultra-tipis, itu sangat nyaman dan Anda dapat membuatnya cukup besar untuk dikenakan. Itu dapat digunakan untuk membantu mereka mengidentifikasi bagaimana mereka dapat lebih baik mengontrol perilaku kaki mereka.

Ada banyak aplikasi masa depan yang mungkin. Misalnya, Anda dapat melampirkannya pada tangan robot. Jika Anda ingin itu mengambil sesuatu, itu dapat merasakan seberapa besar tekanan yang diberikan dan seberapa besar area yang bersentuhan dengannya.

Tech Briefs: Apakah Anda memiliki tebakan kasar tentang kapan ini dapat siap untuk penggunaan komersial?

Zhong: Saat ini, kami bekerja dengan Jabil untuk menyiapkan sistem gulir-ke-gulir kecil di laboratorium kami. Jika berhasil, kami akan menyiapkannya di Jabil dan membantu mereka memproduksi sensor dalam jumlah besar atau ukuran besar. Itu mungkin memakan waktu tiga hingga lima tahun, tetapi terutama di masa kini, sulit untuk diprediksi.

Versi yang diedit dari wawancara ini muncul di edisi Januari 2022 Tech Briefs.