Уявіть електронний пристрій, який не є жорсткою конструкцією з незмінними компонентами, а може самостійно рухатися, перебудовуватися та з’єднуватися з іншими частинами — майже як живий організм. Саме до такого майбутнього наблизилися дослідники з японського Kyushu University, які розробили новий тип гнучкої електроніки, здатної автоматично приєднуватися, від’єднуватися та змінювати власну конфігурацію.
Вчені назвали цей напрям «кінетичною електронікою» (kinetic electronics). На відміну від більшості сучасних носимих пристроїв, які створені як цілісні нерухомі системи, нова технологія передбачає використання тонкоплівкових модулів, які можуть рухатися та взаємодіяти один з одним.
«Сьогодні більшість таких пристроїв виготовляються як фіксовані системи з одним корпусом. Ми вже певний час розробляємо кінетичну електроніку — тонкоплівкові пристрої з приводами та схемами, які можуть рухатися, прикріплюватися та працювати разом», — пояснив Фуміхіро Сасса, доцент факультету інформаційних наук та електротехніки Університету Кюсю.
Електроніка, яка може «стикуватися» сама
Головна особливість нового винаходу полягає у створенні механізму автоматичного з’єднання між окремими тонкоплівковими електронними модулями.
Гнучка електроніка вже давно привертає увагу науковців, адже вона дозволяє створювати пристрої, які можуть згинатися, розтягуватися та повторювати форму людського тіла. Такі технології відкривають шлях до розвитку сенсорів, що нагадують шкіру, медичних імплантів нового покоління та м’яких роботів, здатних безпечно взаємодіяти з людьми.
Однак команда з Японії зробила наступний крок — навчила такі пристрої не лише бути гнучкими, а й самостійно збиратися в робочу систему.
Для цього дослідники створили спеціальний багатошаровий матеріал. Електронні схеми були поєднані з тонким шаром актуатора, виготовленого з двох полімерів — поліпропілену та полііміду. Коли вбудований золотий мікронагрівач подає тепло, ці матеріали розширюються з різною швидкістю. Через це плівка починає контрольовано згинатися. Саме цей рух став основою нового механізму з’єднання.
Від петель до «кігтів»: різні способи з’єднання
Дослідники створили кілька варіантів механічного стикування модулів. Один із механізмів працює за принципом петлі: один елемент може зачепитися за інший і сформувати стабільне з’єднання. Інший варіант нагадує маленький кігтевидний затискач, який фіксується на іншому модулі та залишається закріпленим навіть після вимкнення живлення.
Це особливо важливо, адже пристрій не потребує постійного споживання енергії для підтримки з’єднання. У ході експериментів команда розробила дві основні конфігурації:
- механізм складання одноплощинного зонда;
- систему модульного розділення та повторного з’єднання.
Обидві системи продемонстрували здатність одночасно забезпечувати механічне кріплення та передачу електричного сигналу між окремими компонентами. Пристрої працювали при низькій напрузі — від 5 до 12 вольт. Один із механізмів міг деформуватися приблизно на 10 міліметрів під час стикування, використовуючи близько 1,1 Вт потужності. Інша система показала ще більшу енергоефективність — у середньому лише 0,43 Вт при утримувальній силі близько 6,1 мН.
Майбутнє електроніки, яка змінюється
Нова технологія може суттєво змінити підхід до створення майбутніх пристроїв. Наприклад, медичні сенсори зможуть змінювати свою форму залежно від потреб пацієнта та контролювати різні показники організму. М’які роботи зможуть перебудовуватися, щоб проходити через вузькі простори або адаптуватися до складних умов. У перспективі навіть пошкоджені електронні системи можуть отримати здатність самостійно відновлювати контакти.
Втім, дослідники наголошують, що технологія поки перебуває на ранньому етапі розвитку. Її головна мета — створити міст між традиційною машиною та біологічними системами.
Фуміхіро Сасса та його команда прагнуть у майбутньому створити пристрої, які матимуть властивості живих організмів: вони зможуть самостійно збиратися, адаптуватися до навколишнього середовища та частково відновлювати себе після пошкоджень.
Результати дослідження були опубліковані в науковому журналі npj Flexible Electronics. Нове відкриття може стати одним із кроків до появи електроніки нового покоління — не просто гнучкої, а справді адаптивної.