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Aug 07, 2023

キャンディーの包み紙からインスピレーションを得た曲線美のエレクトロニクスが量産に一歩近づく

野球の皮に湾曲したセンサーが付いており、投手のパフォーマンスを細部まで伝えることができると想像してみてください。 読み取り可能な柔軟なマイクロチップが埋め込まれたコンタクト レンズを想像してください。

野球の皮に湾曲したセンサーが付いており、投手のパフォーマンスを細部まで伝えることができると想像してみてください。 糖尿病患者が指を刺す必要がないように、目の血糖値を読み取ることができる柔軟なマイクロチップが埋め込まれたコンタクトレンズを想像してみてください。

これらは、エンジニアが曲面でフレキシブルなエレクトロニクスを夢見ている応用例のほんの一部です。 しかしこれまで、実現可能な大量生産方法は存在しませんでした。 Science Advances に掲載された最近の論文のおかげで、この状況は変わるかもしれません。この論文では、平らな平面シート上で大量生産される従来の 2 次元エレクトロニクスを曲面の周りに巻き付けるエレガントな方法が詳述されています。

「これはまるでキャンディーを包むようなものです」と、共上級著者で中国北京の清華大学工学部教授シュエ・フェン氏は言う。 ラッパーは 2D 平面ですが、丸いキャンディーを抱きしめるように変形することができる、と彼は説明します。

今日のほとんどのウェアラブル電子機器 (たとえば、Apple Watch の処理チップ) は、平らなシリコン ウェーハに埋め込まれています (ウェアラブル技術とタトゥー アートが両方に革命を起こすために出会ったを参照)。 時計本体はフラットです。 この最近の研究の初期段階で、共上級著者で浙江省清華大学フレキシブルエレクトロニクス技術研究所の電気技師であるイン・チェン氏は、シリコンチップを曲げたり曲げたりして曲面を包み込むことを試みた。 「しかし、シリコンは脆くて硬く、変形しにくいのです」と彼女は言います。 「骨折しやすいんです。」

チェン氏は代替ソリューションを探し始め、2009 年の数学論文に出会いました。この論文は、材料の無駄になるシワを避け、丸い物体を最も効率的に平らなシートで包む方法に関する理論的な解決策を示しています。 その論文の方程式に基づいて、Chen と Feng は幾何学モデリングを使用して、曲線を簡単に包み込む 2D シートの最も効率的な形状を設計しました。 風船を包む紙のような長方形ではなく、曲面の物体の周囲を閉じることができる花びらを備えた押し花に似た形状が最も効率的であることがわかりました。 脆いシリコンの代わりに、伸縮性のあるエラストマー、半導体材料、金属が使用されました。

次の課題は、生産ラインで製造される何千もの同一の物体で花びらがまったく同じ位置に収まるように、湾曲した物体の周囲に花びらを物理的に巻き付ける方法でした。 「調整は重要です。調整は最終的に製品の機能に影響を与える可能性があるためです」とチェン氏は言います。

最初、彼女は花びらを丸い物体の上に手で優しく曲げ、次に裏紙を剥がし、UV 光を使って電子部品を曲面に硬化させていました。 プロセスを自動化するために、彼女とフェンは、花びらの形をしたシートと丸い物体の両方を試験管の幅の幅約1センチの細い管の中に入れる穏やかなプレス機を設計した。 次に、チューブ内で風船が膨らみ、花びら​​に優しく均一な圧力がかかり、花びらが湾曲した物体に巻きつきます。

花びらは、長方形のシートよりもはるかに効率的にこの球の周りを包みます。 画像クレジット: Xingye Chen、Xue Feng、Ying Chen

湾曲センサーを製造しようとする際の重要な課題の 1 つは、「関心のある対象物に実際にセンサーを適用することです」とハワイ大学マノア校の機械工学教授タイラー・レイは言います。 これらの著者らは、従来の 2D 手法を使用してセンサーを製造し、それを 3 次元の物体に貼り付けるという「賢くてエレガントな方法」を考案したと彼は言います。 ただし、レイ氏は、このタスクを達成するには他の方法がある、たとえば、ここで提案されている転写プリントではなく 3D プリント方法を使用する、と指摘しています。 しかし、この方法の利点は、よく理解され、よく管理された製造技術に依存しているのに対し、3D プリンティングでは時間とユニットあたりのコストがよりかかることであると同氏は強調します。

生物医学エンジニアのフィリップ・グトルフ氏は、この論文で提供されるスケーラブルなアプローチと設計ガイドラインは文献への貴重な追加であると考えていると述べています。 彼は、他の論文で実証されている 3D オブジェクトの周囲に 2D テンプレートをラップする一般的なアプローチを確認しました。たとえば、マウスの制御と監視のために心臓を無線デバイスでラップするなどです。 しかし、ここでのスケーラブルなアプローチは新しいものであり、球形の設計ガイドラインは非常に役立つ可能性がある、とアリゾナ大学ツーソン校のグトルフ氏は指摘する。 この研究が、生物医学機器に必要な種類の他の複雑な形状に適用できるかどうかは、まだわかりません。