La electrónica estirable , también conocida como electrónica elástica o circuitos elásticos, es un grupo de tecnologías para construir circuitos electrónicos depositando o incrustando dispositivos y circuitos electrónicos en sustratos estirables como siliconas o poliuretanos , para crear un circuito completo que pueda experimentar grandes tensiones sin fallar. . En el caso más simple, la electrónica extensible se puede fabricar utilizando los mismos componentes utilizados para las placas de circuito impreso rígidas, con el sustrato rígido cortado (normalmente en un patrón serpentino) para permitir la estirabilidad en el plano. [1] Sin embargo, muchos investigadores también han buscado conductores intrínsecamente estirables, como los metales líquidos . [2]
Uno de los principales desafíos en este dominio es diseñar el sustrato y las interconexiones para que sean estirables, en lugar de flexibles (consulte Electrónica flexible ) o rígidos ( placas de circuito impreso ). Normalmente, se eligen polímeros como sustratos o materiales para incrustar. [3] Al doblar el sustrato, el radio más externo de la curvatura se estirará (consulte Deformación en una viga de Euler-Bernoulli , sometiendo las interconexiones a una alta tensión mecánica . La electrónica estirable a menudo intenta la biomimética de la piel y la carne humanas , al ser estirable, mientras que El espacio de diseño de productos se abre con componentes electrónicos extensibles, incluida una piel electrónica sensible para dispositivos robóticos [4] y dispositivos electrónicos implantables in vivo con forma de esponja.
La piel está compuesta de fibras de colágeno, queratina y elastina, que proporcionan una resistencia mecánica robusta, un módulo bajo, resistencia al desgarro y suavidad. La piel puede considerarse como una bicapa de epidermis y dermis. La capa epidérmica tiene un módulo de aproximadamente 140-600 kPa y un espesor de 0,05-1,5 mm. La dermis tiene un módulo de 2 a 80 kPa y un espesor de 0,3 a 3 mm. [5] Esta piel bicapa exhibe una respuesta lineal elástica para deformaciones inferiores al 15% y una respuesta no lineal en deformaciones más grandes. Para lograr conformabilidad, es preferible que los dispositivos coincidan con las propiedades mecánicas de la capa de epidermis al diseñar dispositivos electrónicos elásticos basados en la piel.
Los dispositivos electrónicos convencionales de alto rendimiento están hechos de materiales inorgánicos como el silicio, que es de naturaleza rígida y quebradiza y presenta una biocompatibilidad deficiente debido al desajuste mecánico entre la piel y el dispositivo, lo que dificulta las aplicaciones de electrónica integrada en la piel. Para resolver este desafío, los investigadores emplearon el método de construir componentes electrónicos flexibles en forma de capas ultrafinas. La resistencia a la flexión de un objeto material (rigidez a la flexión) está relacionada con la tercera potencia del espesor, según la ecuación de Euler-Bernoulli para una viga. [6] Implica que los objetos con menos espesor pueden doblarse y estirarse más fácilmente. Como resultado, aunque el material tiene un módulo de Young relativamente alto, los dispositivos fabricados sobre sustratos ultrafinos exhiben una disminución en la rigidez a la flexión y permiten doblarse a un pequeño radio de curvatura sin fracturarse. Los dispositivos delgados se han desarrollado como resultado de avances significativos en el campo de la nanotecnología, la fabricación y la fabricación. El enfoque antes mencionado se utilizó para crear dispositivos compuestos por nanomembranas de Si de 100 a 200 nm de espesor depositadas sobre sustratos poliméricos delgados y flexibles. [6]
Además, se pueden utilizar consideraciones de diseño estructural para ajustar la estabilidad mecánica de los dispositivos. Diseñar la estructura de la superficie original nos permite suavizar la electrónica rígida. El pandeo, la conexión de islas y el concepto Kirigami se han empleado con éxito para hacer que todo el sistema sea elástico [ [7] , [8] ] .
El pandeo mecánico se puede utilizar para crear estructuras onduladas sobre sustratos delgados elastoméricos. Esta característica mejora la capacidad de estiramiento del dispositivo. Se utilizó el enfoque de pandeo para crear nanocintas de Si a partir de un solo cristal de Si sobre un sustrato elastomérico. El estudio demostró que el dispositivo podría soportar una tensión máxima del 10% cuando se comprime y se estira. [9]
En el caso de la interconexión de islas, el material rígido se conecta con puentes flexibles hechos de diferentes geometrías, como estructuras en zig-zag, en forma de serpentina, etc., para reducir la rigidez efectiva, ajustar la capacidad de estiramiento del sistema y deformarlo elásticamente bajo condiciones. Deformaciones aplicadas en direcciones específicas. Se ha demostrado que las estructuras en forma de serpentina no tienen ningún efecto significativo sobre las características eléctricas de la electrónica epidérmica. También se ha demostrado que el entrelazamiento de las interconexiones, que se oponen al movimiento del dispositivo sobre el sustrato, hace que las interconexiones en espiral se estiren y deformen significativamente más que las estructuras serpentinas. [7] Los inversores CMOS construidos sobre un sustrato PDMS que emplean tecnologías de interconexión de islas 3D demostraron una tensión del 140% al estirarse. [9]
Kirigami se basa en el concepto de plegado y corte en membranas 2D. Esto contribuye a un aumento de la resistencia a la tracción del sustrato, así como a su deformación y estirabilidad fuera del plano. Estas estructuras 2D se pueden convertir posteriormente en estructuras 3D con topografía, forma y control de tamaño variados mediante el proceso de pandeo, lo que da como resultado propiedades y aplicaciones interesantes. [7] [9]
Varios supercondensadores y dispositivos de almacenamiento de energía extensibles se fabrican utilizando materiales a base de carbono, como los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT). Un estudio de Li et al. mostró un supercondensador estirable (compuesto por macropelícula SWCNT pandeada y separadores elastoméricos sobre un sustrato PDMS elástico), que realizaba carga y descarga dinámicas. [10] El principal inconveniente de esta tecnología de almacenamiento de energía extensible es la baja capacitancia específica y densidad de energía, aunque esto puede mejorarse potencialmente mediante la incorporación de materiales redox, por ejemplo, el electrodo SWNT/MnO2. [11] Otro enfoque para crear un dispositivo de almacenamiento de energía extensible es el uso de los principios de plegado del Origami. [12] La batería de origami resultante logró una significativa deformabilidad lineal y área, una gran capacidad de torsión y flexibilidad.
La electrónica extensible podría integrarse en prendas inteligentes para interactuar perfectamente con el cuerpo humano y detectar enfermedades o recopilar datos de pacientes de forma no invasiva. Por ejemplo, investigadores de la Universidad Nacional de Seúl y MC10 (una empresa de electrónica flexible) han desarrollado un parche que puede detectar los niveles de glucosa en el sudor y puede administrar el medicamento necesario según demanda (insulina o metformina). El parche consta de grafeno plagado de partículas de oro y contiene sensores que pueden detectar la temperatura, el nivel de pH, la glucosa y la humedad. [13] La electrónica extensible también permite a los desarrolladores crear robots blandos para implementar cirugías mínimamente invasivas en hospitales. Especialmente cuando se trata de cirugías cerebrales, donde cada milímetro es importante, estos robots pueden tener un alcance de acción más preciso que el de un humano.
La electrónica rígida no suele adaptarse bien a los organismos y tejidos biológicos blandos. Dado que la electrónica extensible no está limitada por esto, algunos investigadores intentan implementarla como sensores táctiles o táctiles. Una forma de lograr esto es crear una serie de OFET (transistores de efecto de campo orgánico) conductores que formen una red que pueda detectar cambios locales en la capacitancia, lo que brinda al usuario información sobre dónde ocurrió el contacto. [14] Esto podría tener un uso potencial en aplicaciones de robótica y realidad virtual. [6] [7] [5] [8] [9]