Kirigami inspirerer til ny metode til bærbare sensorer

Efterhånden som bærbare sensorer bliver mere udbredte, Behovet for et materiale, der er modstandsdygtigt over for skader fra stress og belastninger fra den menneskelige krops naturlige bevægelser bliver stadig mere afgørende. Til det formål, forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign har udviklet en metode til at vedtage kirigami-arkitekturer for at hjælpe materialer med at blive mere belastningstolerante og mere tilpasningsdygtige til bevægelse.

Ligesom origami, den mere kendte kunst at folde papir, kirigami involverer skæring ud over foldning. Holdet ledet af SungWoo Nam, lektor i Mekanisk Videnskab og Teknik, og Keong Yong anvendte med succes kirigami-arkitekturer på grafen, et ultratyndt materiale, at skabe sensorer, der er egnede til bærbare enheder.

"For at opnå de bedste sansningsresultater, du ikke ønsker, at din bevægelse genererer yderligere signaloutput, " bemærkede Nam. "Vi bruger kirigami-snit for at give strækbarhed ud over et materiales normale deformerbarhed. Dette særlige design er meget effektivt til at afkoble bevægelsesartefakterne fra de ønskede signaler. "

For at opnå disse resultater, forskerholdet var i stand til at udføre en række simuleringer ved at samarbejde med Narayana Aluru, professor i Mekanisk Videnskab og Teknik, og ved at udvikle online software på en nanofremstillingsknude, den første af slagsen, der blev udviklet. Online softwareplatformen tillader forskere at udføre simuleringer, før de opretter de faktiske enheder eller platforme.

Når teamet kom med et design, der fungerede godt i simulering, det var på tide at teste det. Grafen virkede lovende som materiale, fordi det kunne modstå betydelig deformation og brud sammenlignet med metaller og andre konventionelle materialer. Fordi grafen er et atom tyndt materiale, forskergruppen var i stand til at indkapsle grafenlaget mellem to polyimidlag (det samme materiale, der bruges til at beskytte foldbare smartphones). Når først "sandwichen" blev skabt, Dernæst udviklede de kirigami-snit for at forbedre materialets strækbarhed.

"Fordi grafen er følsomt over for eksterne ændringer, men også en fleksibel semimetallisk leder, folk er meget interesserede i at skabe sensorer ud fra det, "Nam sagde." Denne følsomhed er velegnet til at opdage, hvad der er omkring dig, såsom glucose eller ionniveauer i sved. "

Teamet fandt ud af, at vedtagelsen af ​​en kirigami -arkitektur gjorde grafen ikke kun strækbart, men også belastningsfølsom og fri for bevægelsesartefakter, hvilket betyder, at selvom det var deformeret, der var ingen ændring i elektrisk tilstand. Specifikt, de fandt ud af, at grafenelektroderne udviste en belastningsufølsomhed på op til 240 procent enakset belastning, eller 720 graders vridning.

De offentliggjorde resultaterne af deres undersøgelse i Materialer i dag .

"Det interessante ved kirigami er, at når du strækker det, du skaber en ud af plan vippe, " sagde Nam. "Det er sådan, strukturen kan tage så store deformationer."

I deres design, forskerne placerede det aktive sanseelement på en "ø" mellem to "broer" lavet af kirigami-grafen. Mens grafen ikke mistede noget elektrisk signal på trods af bøjning og hældning, det tog stadig belastningen fra strækningen og anstrengelsen, gør det muligt for det aktive sanseelement at forblive forbundet til overfladen. Som sådan, kirigami har den unikke evne til at omfordele stresskoncentrationer, og derved opnå forbedrede retningsmekaniske egenskaber.

Mens forskerholdet med succes beviste den grundlæggende metode, de arbejder allerede på forbedring i version 2.0 med mulighed for i sidste ende at kommercialisere teknologien.

Teamet havde også positive resultater ved hjælp af polydimethylsiloxan (PDMS) som sandwichlagene og mener, at, ud over grafen, designet kunne også strække sig til andre atomisk tynde materialer såsom overgangsmetal dichalcogenider.