Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) создали электронное волокно, которое продолжает работать даже после того, как его растянули более чем в десять раз. Это открытие может изменить подход к созданию «умной» одежды, систем реабилитации и мягких роботов.
В основе разработки — жидкий металл. Но не тот, что ассоциируется с Т-1000 из «Терминатора». В лаборатории фотонных материалов и волоконных устройств (FIMAP) под этим термином подразумевают безопасный сплав индия и галлия — нетоксичный металл, который остаётся жидким при комнатной температуре и обладает высокой проводимостью.
Как это работает
Главная сложность заключалась в том, чтобы превратить жидкий металл в материал, способный растягиваться и при этом стабильно проводить ток.
«Жидкие металлы очень трудно обрабатывать. Особенно сложно сделать из них электронные волокна, которые совмещали бы высокую проводимость и эластичность», — объясняет руководитель FIMAP Фабьен Сорен.
Решение пришло из неожиданной области — технологии термического вытягивания, которую обычно применяют для производства оптических волокон. Учёные адаптировали её для создания сенсорных волокон с точно заданными электронными свойствами.
Процесс начинается с крупного «преформа» — заготовки, в которой компоненты из жидкого металла размещены в сложном трёхмерном узоре. Затем заготовку нагревают и вытягивают, как расплавленный пластик, превращая её в тонкое волокно, сохраняющее исходную внутреннюю структуру.
Как поясняет аспирантка и первый автор работы Стелла Лаперрусаз, именно этот 3D-узор стал ключом к успеху. Он позволяет точно задавать, какие участки волокна будут проводить ток, а какие останутся изолирующими.
Когда жидкий металл смешивается с мягкой эластомерной матрицей, образуются крошечные капли. При нагреве и вытягивании эти капли разрушаются, и металл «активируется». Таким образом, исследователи могут управлять функциональностью волокна буквально на микроскопическом уровне.
Испытания показали, что такие волокна сохраняют чувствительность даже при растяжении в десять раз, чего не удаётся достичь большинству гибких сенсоров, теряющих проводимость при деформации.
От лаборатории — к спортивной одежде и протезам
Чтобы показать возможности технологии, инженеры вшили волокна в мягкий наколенник, способный отслеживать движения человека. Сенсорная система без проблем фиксировала сгибание колена во время ходьбы, бега, приседаний и прыжков, даже воспроизводя походку с высокой точностью.
«Наше волокно можно использовать и для других суставов — плеча, запястья, лодыжки, — говорит Сорен. — Оно легко интегрируется в ткань и может стать основой для целых километров "умного" текстиля».
В перспективе такие волокна могут лечь в основу мягких протезов, роботов, чувствительных к прикосновению, и одежды, которая будет следить за здоровьем владельца.
Исследование опубликовано в журнале Nature Electronics.
