Ny strækbar, selvhelbredende og lysende elektronisk materiale til wearables og bløde robotter

Forestil dig en fleksibel digital skærm, der heler sig selv, når den revner, eller en lysemitterende robot, der lokaliserer overlevende i mørke, farlige miljøer eller udfører landbrugs- og rumudforskningsopgaver. Et nyt materiale udviklet af et hold NUS-forskere kunne gøre disse ideer til virkelighed.

Det nye strækbare materiale, når det bruges i lysemitterende kondensatorenheder, muliggør meget synlig belysning ved meget lavere driftsspændinger, og er også modstandsdygtig over for skader på grund af dens selvhelbredende egenskaber.

Denne innovation, kaldet HELIOS (som står for Healable, Lavfelt lysende optoelektronisk strækbar) enhed, blev opnået af adjunkt Benjamin Tee og hans team fra NUS Institute for Health Innovation &Technology og NUS Materials Science and Engineering. Resultaterne af forskningen blev først rapporteret i Naturmaterialer den 16. december 2019.

Holdbar, laveffekt materiale til næste generations elektroniske wearables og bløde robotter

"Konventionelle strækbare optoelektroniske materialer kræver høj spænding og høje frekvenser for at opnå synlig lysstyrke, hvilket begrænser bærbarhed og driftslevetider. Sådanne materialer er også vanskelige at anvende sikkert og stille på menneske-maskine-grænseflader, " forklarede Asst Prof Tee, som også er fra NUS Electrical and Computer Engineering, N.1 Institute for Health og programmet Hybrid Integrated Flexible Electronic Systems.

For at overkomme disse udfordringer, holdet på fem NUS-forskere begyndte at studere og eksperimentere med mulige løsninger i 2018, og udviklede til sidst HELIOS efter et år.

For at sænke de elektroniske driftsbetingelser for strækbare optoelektroniske materialer, holdet udviklede et materiale, som har meget høj dielektrisk permittivitet og selvhelbredende egenskaber. Materialet er et gennemsigtigt, elastisk gummiplade lavet af en unik blanding af fluorelastomer og overfladeaktivt stof. Den høje dielektriske permittivitet gør det muligt for den at lagre flere elektroniske ladninger ved lavere spændinger, muliggør en højere lysstyrke, når den bruges i en lys-emitterende kondensatorenhed.

I modsætning til eksisterende strækbare lysemitterende kondensatorer, HELIOS-aktiverede enheder kan tænde ved spændinger, der er fire gange lavere, og opnå en belysning, der er mere end 20 gange stærkere. Den opnåede også en belysning på 1460 cd/m ² ved 2,5 V/µm, den lyseste opnået af strækbare lys-emitterende kondensatorer til dato, og er nu sammenlignelig med lysstyrken på mobiltelefonens skærme. På grund af det lave strømforbrug, HELIOS kan opnå en længere levetid, bruges sikkert i menneske-maskine-grænseflader, og forsynes trådløst for at forbedre portabiliteten.

HELIOS er også modstandsdygtig over for rifter og punkteringer. De reversible bindinger mellem materialets molekyler kan brydes og omdannes, derved tillader materialet at selvhelende under omgivende miljøforhold.

Beskriver den potentielle virkning af HELIOS, Asst Prof Tee sagde, "Lys er en væsentlig kommunikationsmåde mellem mennesker og maskiner. Efterhånden som mennesker bliver mere og mere afhængige af maskiner og robotter, der er enorm værdi i at bruge HELIOS til at skabe 'uovervindelige' lysemitterende enheder eller skærme, der ikke kun er holdbare, men også energieffektive. Dette kan generere langsigtede omkostningsbesparelser for producenter og forbrugere, reducere elektronisk affald og energiforbrug, og til gengæld gør det muligt for avancerede skærmteknologier at blive både pengepung og miljøvenlige."

For eksempel, HELIOS kan bruges til at fremstille langtidsholdbare trådløse skærme, der er skadesikre. Det kan også fungere som et oplysende elektronisk skin til autonome bløde robotter, der skal anvendes til smart indendørs landbrug, rummissioner eller katastrofezoner. At have en lav effekt, Selvreparerende lysende hud vil give sikkerhedsbelysning, så robotten kan manøvrere i mørke, mens den forbliver i drift i længere perioder.

NUS-teamet har søgt patent på det nye materiale, og søger at opskalere teknologien til specialemballage, sikkerhedslys, bærbare enheder, bil- og robotapplikationer.