Электронное волокно с капельками жидкого металла: гибкие датчики

Исследователи из EPFL разработали инновационный электронный датчик на основе волокна, способный растягиваться более чем в 10 раз от своей первоначальной длины, сохраняя при этом полную функциональность. Это открытие открывает широкие перспективы для создания умного текстиля, реабилитационных устройств и мягкой робототехники.

В отличие от опасных веществ, таких как ртуть или расплавленная сталь, "жидкий металл" в Лаборатории фотонных материалов и волоконных устройств (FIMAP) EPFL представляет собой нетоксичную смесь индия и галлия. Это вещество остается жидким при комнатной температуре и демонстрирует огромный потенциал для разработки электронных волокон, пригодных для носимых устройств и робототехники.

Однако, как отмечает Фабьен Сорин, руководитель FIMAP, работа с жидкими металлами чрезвычайно сложна. Особенно трудно создавать электронные волокна, сочетающие высокую и стабильную проводимость с эластичностью. Лаборатория успешно преодолела это препятствие, применив технику термического вытяжения, традиционно используемую для производства оптоволокна.

"Мы интегрировали термическое вытяжение в значительно упрощенный процесс создания волоконных датчиков с тонко настроенными электронными свойствами, что делает их перспективными кандидатами для умного текстиля в области спортивного и медицинского мониторинга", – говорит Сорин. Команда уже продемонстрировала эту технологию, создав умный наколенник, способный отслеживать движения и функции сустава пользователя во время активности.

Процесс термического вытяжения начинается с создания макроскопической версии электронного волокна, называемой заготовкой. В ней жидкий металл расположен в соответствии с трехмерной структурой. Затем заготовка нагревается и вытягивается, подобно расплавленному пластику, превращаясь в волокна диаметром от нескольких сотен микрон до миллиметров, сохраняя при этом первоначальную 3D-структуру.

Стелла Лаперрузаз, аспирантка и первый автор исследования, подчеркивает, что именно эта структура является ключом к инновации. Она позволяет контролировать, какие участки волокна являются активными (электропроводными), а какие – неактивными (изолирующими). "Когда жидкий металл смешивается с эластичной матрицей, он образует множество мелких капель. Процесс нагрева и вытяжения заготовки разрывает эти капли и активирует жидкий металл. Это позволяет нам точно настраивать функциональность отдельного волокна, контролируя, какие участки становятся активными под воздействием сдвигового напряжения, возникающего при вытяжении заготовки", – объясняет она.

Эксперименты показали, что разработанные волокна сохраняли высокую чувствительность даже при растяжении более чем в 10 раз от первоначальной длины. Это дает значительное преимущество перед другими методами, которые с трудом находят баланс между электрическими характеристиками, эластичностью и простотой обработки.

В качестве подтверждения концепции исследователи интегрировали свои электронные волокна в мягкий наколенник. Устройство надежно отслеживало угол сгибания колена пользователя во время ходьбы, бега, приседаний и прыжков, а также точно реконструировало походку во время бега.

"Благодаря простоте интеграции, наше волокно может быть легко использовано для мониторинга движений и выявления аномалий в других суставах, таких как лодыжки, плечо или запястье", – отмечает Сорин. Он также добавляет, что технология потенциально хорошо масштабируется. "Традиционные электронные устройства могут быть слишком хрупкими или жесткими для интеграции в текстиль, но наше волокно может быть интегрировано в ткани длиной в метры или даже километры при достаточном масштабировании, над чем мы и работаем. Такая ткань затем может быть использована для производства носимых устройств, мягких протезов или датчиков для роботизированных конечностей."