Desain Terinspirasi Laba-laba Meningkatkan Performa Detektor Cahaya 3D untuk Imaging Biomedis
Inovator Universitas Purdue mengambil petunjuk dari laba-laba untuk mengembangkan detektor cahaya 3D yang lebih baik untuk imaging biomedis.
Terinspirasi dari pola arsitektur berulang dari jaring laba-laba, tim mendemonstrasikan array detektor cahaya berbentuk dome yang tangguh yang mendeteksi arah dan intensitas cahaya insiden pada saat yang sama, seperti sistem penglihatan mata komposit dari arthropoda seperti serangga dan crustacea.
"Kami menggunakan desain fraktal unik dari jaring laba-laba untuk pengembangan elektronik yang dapat berubah bentuk dan andal yang dapat diintegrasikan secara mulus dengan setiap permukaan kurvilinear 3D," kata Chi Hwan Lee, asisten profesor teknik biomedis dan mekanik di Purdue.
Arsitektur optoelektronik 3D seperti ini sangat berharga untuk sistem deteksi cahaya yang membutuhkan medan pandang yang lebih besar, sudut pandang yang lebih luas, dan sensitivitas yang lebih tinggi terhadap gerakan.
Karya ini diterbitkan dalam jurnal online Advanced Materials .
Mengapa Jaring Laba-laba?
Jaring laba-laba dikenal memberikan adaptabilitas mekanis yang luar biasa dan toleransi kerusakan terhadap berbagai beban mekanis, bahkan dalam badai.
Properti struktural unik dari desain jaring fraktal Lee dan timnya melindungi perangkat dengan secara efektif menahan berbagai beban eksternal.
Terinspirasi dari arsitektur alami, susunan optik Lee dan timnya mendistribusikan stres yang diinduksi eksternal di seluruh benang, sesuai dengan rasio efektif dimensi spiral dan radial.
Array detektor cahaya hemisferikal berisi bahan sensibilis organic-dye: komposit hibrid grafen. Perangkat pertama kali diproduksi pada wafel silikon datar pada skala mikron dan kemudian dipindahkan ke dome transparan hemisferikal dengan lengkungan yang berbeda secara deterministik.
"Jaring" memberikan ekstensi yang lebih besar untuk lebih baik mencegah gaya pada peregangan. Selain itu, desain ini menahan potongan kecil pada benang sambil mempertahankan kekuatan dan fungsi keseluruhan arsitektur jaring.
Dalam singkat, wawancara Q&A diedit dengan Tech Briefs di bawah ini, Prof. Lee menjelaskan bagaimana struktur laba-laba dapat mengarah ke jenis elektronik yang dapat berubah bentuk baru.
Tech Briefs: Mengapa berupa desain seperti jaring berharga untuk arsitektur optoelektronik?
Prof. Chi Hwan Lee: Material dan perangkat optoelektronik yang diterapkan di seluruh permukaan kurvilinear menawarkan tingkat fungsionalitas yang diperluas secara kualitatif yang memungkinkan medan pandang yang besar tanpa aberasi, yang menyerupai sistem penglihatan mata komposit dari arthropoda. Arsitektur optoelektronik 3D ini sangat menarik untuk sistem deteksi cahaya yang membutuhkan medan pandang yang besar dan antirefleksi sudut luas. Untuk merancang sistem yang meniru mata komposit, prosedur yang paling menjanjikan melibatkan pencetakan langsung piksel sensitif cahaya pada permukaan melengkung atau hemisferikal dengan cara yang diratakan dengan hati-hati.
Tech Briefs: Aplikasi atau kemungkinan paling menarik apa dengan jenis desain ini?
Prof. Lee: Upaya ini membuka jalan untuk mewujudkan berbagai bentuk 3D detektor cahaya, tetapi kemajuan di bidang ini terhalang oleh kompleksitas merakit perangkat dan komponen optoelektronik pada permukaan non-datar pada skala mikron dan mencocokkan bentuk array detektor cahaya dengan lengkungan hemisferikal yang tetap.
Untuk mengatasi tantangan ini, kami menggunakan arsitektur struktural, atau desain fraktal, dari jaring laba-laba yang ditemukan di alam yang mampu menahan berbagai beban mekanis dari lingkungan secara efisien. Desain jaring fraktal yang menunjukkan pola berulang pada semua skala menyediakan kemampuan unik untuk (1) mendistribusikan stres yang diinduksi eksternal di seluruh benang sesuai dengan rasio efektif dimensi spiral dan radial; (2) memberikan ekstensi yang lebih besar untuk lebih baik mencegah gaya pada peregangan; dan (3) menahan potongan kecil pada benang sambil mempertahankan kekuatan dan fungsi keseluruhan arsitektur jaring.
Lebih Banyak Detektor Cahaya di Tech Briefs
Pelajari cara NASA mendeteksi satu foton.
Desain NASA Lain: Array Detektor Cahaya untuk Imaging Terlihat/Inframerah Multicolor
Tech Briefs: Seberapa baik array Anda bekerja?
Prof. Lee: Array detektor cahaya 3D kami tidak hanya menyediakan fungsionalitas optoelektronik canggih dalam mendeteksi arah dan intensitas cahaya insiden tetapi juga responsivitas cahaya yang unggul, dibandingkan dengan mitra serupa lainnya, melalui penggunaan komposit hibrid grafen sensibilis organic dye baru sebagai komponen fotoaktif yang fleksibel dan efektif.
Arsitektur optoelektronik 3D yang dihasilkan sangat menarik untuk sistem deteksi cahaya yang membutuhkan medan pandang yang besar dan antirefleksi sudut luas, yang akan berguna untuk banyak tujuan imaging biomedis dan militer.
Tech Briefs: Apa selanjutnya dengan penelitian Anda?
Prof. Lee: Kami telah menetapkan platform teknologi yang dapat mengintegrasikan desain jaring fraktal dengan elektronik dan sensor hemisferikal tingkat sistem, sehingga menawarkan beberapa adaptabilitas mekanis yang luar biasa dan toleransi kerusakan terhadap berbagai beban mekanis (seperti jaring laba-laba). Teknik pemasangan yang disajikan dalam karya ini memungkinkan penerapan elektronik yang dapat berubah bentuk 2D dalam arsitektur 3D, yang mungkin menandakan peluang baru untuk lebih lanjut maju bidang perangkat elektronik dan optoelektronik 3D. Paten AS sedang diajukan melalui OTC, dan kami mencari mitra serta juga ingin melisensikan teknologi ini.
Karya ini didukung oleh National Science Foundation (NSF; CMMI-1928784) dan Air Force Research Laboratory (AFRL; S-114-054-002), dalam kolaborasi dengan Lab Prof. Muhammad Ashraf Alam di ECE di Purdue. Karya ini diterbitkan dalam Advanced Materials .
Apa pendapat Anda? Bagikan pertanyaan dan komentar Anda di bawah.
