Metaloxid-halvleder nanomembran-baseret multifunktionel elektronik til bærbare-menneskelige grænseflader

Bærbare elektroniske menneske-maskine-grænseflader (HMI'er) er en ny klasse af enheder til at lette menneske- og maskininteraktioner. Fremskridt inden for elektronik, materialer og mekaniske design har tilbudt veje til kommercielle bærbare HMI-enheder. Imidlertid, eksisterende enheder er ubehagelige, da de begrænser den menneskelige krops bevægelse med langsomme responstider og udfordringer med at realisere flere funktioner. I en nylig rapport vedr Videnskabens fremskridt, Kyoseung Sim og et tværfagligt forskerhold inden for materialevidenskab og teknik, Maskiningeniør, biomedicinsk videnskab, el- og computerteknik i USA og Kina, detaljerede udviklingen af ​​en ny polymer.

I arbejdet, de konstruerede en sol-gel-på-polymer-behandlet indium-zinkoxid-halvleder nanomembran-baseret ultratynd strækbar elektronikenhed. Fordelene omfattede multifunktionalitet, enkle fremstillingsprocesser, umærkeligt slid og robust interface. De multifunktionelle bærbare HMI-enheder spændte fra resistiv tilfældig adgangshukommelse (ReRAM) til datalagring til at danne felteffekttransistorer (FET'er), der kommunikerer med switching-kredsløb. Yderligere funktioner inkluderede sensorer til sundhed og kropsbevægelsesføling, og mikrovarmere til at levere temperatur. Efter at have testet de enkelte komponenter for deres unikke egenskaber, Sim et al. konstruerede HMI-enhederne som sømløse wearables til mennesker og også som protesehud til robotter for at tilbyde intelligent feedback og danne et lukket sløjfe HMI-system (human-machine interface).

Wearable human-machine interfaces (HMI'er) fungerer som direkte kommunikationsveje mellem mennesker og maskiner. Grænsefladerne kan registrere fysiske eller elektrofysiologiske parametre fra bærerne og gøre det lettere for maskinerne at udføre tilsvarende funktioner. Den seneste udvikling inden for elektronik, materialer og mekaniske designs har avancerede HMI -enheder. Sådanne wearables er, imidlertid, stadig halvblød og ubehagelig til problemfri integration på grund af manglende evne til at deformere og tilpasse sig en række dynamiske menneskelige bevægelser. Bløde elektroniske materialer, der perfekt matcher kravene af interesse, tilbyder et alternativ til at konstruere det strækbare, bærbare HMI-enheder. Imidlertid, de bløde gummiagtige materialer har haft langsomme responstider for at undergå væsentlig hysterese ved cyklisk deformation. Forholdsvis, uorganiske materialer kan udvise hurtige reaktionstider og gennemgå betydelig hysterese til brug som bærbar elektronik og sensorer.

Unikke materialeegenskaber kan lette rynker, serpentin- og kirigami-former til at fungere som nøgleaktivere for HMI-enheder med blød og strækbar karakter. For at opnå flere funktioner, herunder sansning, skifte, stimulering og datalagring, imidlertid, forskere skal stadig udvikle forskellige typer elektroniske funktionelle materialer, sideløbende med heterogene integrationsteknologier, såsom transferprint. Sådanne enheder er forbundet med komplekse fremstillingsprocedurer, inkompatibilitet af teknik, lav skalerbarhed og høje omkostninger. Derudover at teame menneske- og maskingrænseflader, materialeforskere kræver bredere forståelse af parametrene for interaktion, evaluering og kommunikation. Bærbare HMI-enheder er derfor påkrævet på både mennesker og maskiner for effektivt at danne lukkede kredsløb. Som resultat, forskning inden for robotmaterialer er rettet mod at udvikle bærbare HMI-enheder for at lukke de eksisterende huller i teknologi.

I nærværende arbejde, Sim et al. udviklet en ultratynd, mekanisk umærkelig og strækbar HMI-enhed, der skal bæres på menneskelig hud og på en robot, at fange fysiske data og tilbyde intelligent feedback hhv. at skabe et HMI-system med lukket kredsløb. De udviklede materialerne uden at kombinere flere funktionelle materialer, enheder eller overdreven heterogene integrationstrin. Enhedens design på den ultratynde, bugtende, åben mesh-konfiguration med mekanisk strækbarhed gjorde det muligt for brugeren at være fuldstændig uvidende om enheden, mens det ekstraherede nyttige signaler fra brugeren. Den bærbare enhed indsamlede signaler fra den menneskelige muskel for at lede robotten direkte for at give brugeren mulighed for at mærke de fornemmelser, som robothånden oplever. Forskerholdet studerede i fællesskab materialer og enhedsdesign, fremstilling og karakterisering for at demonstrere grundlæggende aspekter af metaloxid-nanomembranen til multifunktionelle applikationer i HMI-enheder.

Sim et al. komponerede HMI-enheden med en indiumzinkoxid (IZO) nanomembranbaseret ReRAM (random-access memory)-array, FET (felteffektiv transistor) array, distribuerede temperaturfølere, UV sensorer, belastningssensorer og guld (Au) -baserede termiske simulatorer. De konstruerede alle enheder på et tyndt (~2 µm) polyimid (PI) lag ved spin-coating oven på et stift glasholdende substrat for at gøre det nemt at frigive enheden til at være fritstående. Efter mange indviklede tekniske trin, de afsluttede fremstillingen af ​​enheden ved at nedsænke den i bufferoxidætsemiddel (BOE) for at frigøre enheden fra glasplatformen. Brug bagepapir, forskerne overførte derefter enheden til en menneskelig arm uden yderligere klæbemiddel. De brugte scanningselektronmikroskopi til at vise, at hudpolymeren ikke undergik delaminering ved kontakt med huden. At danne et HMI-system med lukket kredsløb mellem menneske og maskine, forskerne udviklede på samme måde en hudprotese bestående af poly(dimethylsiloxan) (PDMS) og en række sensorer til at efterligne den menneskelige huds sensoriske funktioner og implementerede den på en robothånd.

Sim et al. udført detaljeret karakterisering af den sol-gel-på-polymer-behandlede IZO nanomembranoxid-halvleder, hvilket var nøglen til at realisere flere funktionaliteter uden heterogen integration. Da datalagringsenheder såsom hukommelse var integrerede komponenter i bærbare HMI'er; forskerne konstruerede den IZO-nanomembran-baserede strækbare ReRAM med en Au/IZO/Au sandwich-struktur med PI (polyimid) indkapsling. Under tilstrækkelig spænding, de skabte iltioner og ilttomrum for at danne en ledende filament på tværs af de to elektroder til drastisk strømovergang fra høj modstandstilstand (HRS) til tilstand med lav modstand (LRS). Når de påførte en omvendt forspænding ved en bestemt spænding, ilt ledigheden blev neutraliseret, får det ledende filament til at briste og for strømmen at falde drastisk. Sim et al. udført skrive-læse-slette-skrive-cyklusser (WRER) og retentionstests for at vurdere pålideligheden af ​​den IZO nanomembran-baserede ReRAM, hvor resultaterne viste stabil drift uden nedbrydning.

De bekræftede den mekaniske belastningseffekt på enhedens ydeevne ved at teste ReRAM under forskellige niveauer af mekanisk strækning ved hjælp af en specialfremstillet båre. Resultaterne viste, at halvlederen oplevede minimal og ubetydelig belastning, når den blev strakt, afspejler enhedens rationelle design. Resultaterne indikerede ReRAM-enhedens evne til at fungere stabilt under mekanisk belastning uden væsentlig nedbrydning. FET'en, der blev brugt i enheden, dannede på samme måde en grundlæggende byggeklods til at interface og skifte elektronik til HMI'er.

Forskerne testede derefter den ultratynde UV-sensor af den hudbærbare polymer og dens evne til at overvåge UV-eksponering for applikationer for at reducere risikoen for hudsygdomme. Tilsvarende de testede virkningerne af hudtemperatur, en vigtig sundhedsindikator ved at måle modstanden af ​​den ultratynde strækbare termistor ved forskellige temperaturer. De beregnede temperaturkoefficienten til at være sammenlignelig med kommercielt tilgængelige voluminøse termistorer. Forskerholdet udviklede også en IZO nanomembran-baseret belastningssensor til kommunikation mellem et menneske og en robot for at fremhæve IZO-materialets alsidighed. Sim et al. sammenlignede de eksperimentelle resultater med finite element analyse (FEA) for at beregne stamprofilen for IZO -sanseområdet under forskellige niveauer af mekanisk strækning. Simuleringerne stemte godt overens med de eksperimentelle resultater.

Efter at have testet multifunktionsenhedens individuelle funktioner, Sim et al. demonstreret multifunktionaliteten af ​​de interaktive HMI'er med lukket kredsløb. Når bærbare sensorer på den menneskelige hud registrerede signaler såsom belastningsinduceret menneskelig bevægelse, de detekterede signaler kunne styre robothåndens bevægelse. For eksempel, når forskerholdet placerede IZO-belastningssensoren på den menneskelige skulder, registrerede det belastning ved bevægelse af den menneskelige arm, eller når brugeren greb om en genstand. Parallelt, protesehuden baseret på IZO-temperatursensoren på robothånden detekterede temperaturen i det ydre miljø eller på den grebne genstand for at bestemme den passende spænding, der skal påføres en blød termisk stimulator på den menneskelige hud for at overføre fornemmelsen. På grundlag af en række af sådanne koordinerede interaktioner, forskerne skabte et interaktivt HMI-system med lukket sløjfe.

På denne måde Kyoseung Sim og kolleger konstruerede en sol-gel-on-polymer forarbejdet IZO metaloxid nanomembran og udviste sin alsidighed i forhold til ultratynde bløde hukommelsesenheder, transistorer, temperaturfølere, belastningssensorer og UV-sensorer. De dannede den multifunktionelle enhed samtidigt i et enkelt trin uden nogen heterogen integration. De kombinerede ultratynde strækbare elektronikaktiverede bærbare sensorer, hudproteser og aktuatorenhed til menneske-robot-grænseflader beviste gennemførligheden af ​​det lukkede HMI-system. Et sådant setup vil bane vejen for omkostningseffektive, skalerbar fremstilling og bærbare HMI -enheder i stand til problemfri integration med brugeren. Forskerne forestiller sig, at det bærbare HMI vil blive en vital teknologi med forbedrede muligheder, komfort og bekvemmelighed for effektivt samarbejde mellem maskiner og mennesker.

© 2019 Science X Network