ساخت الیاف فلز مایع که تا ۱۰ برابر کش می‌آیند

دانشگاه EPFL الیاف فلز مایعی توسعه داده که حتی هنگام کشیده شدن تا ۱۰ برابر، هادی برق باقی می‌مانند و راه را برای لباس‌های هوشمند هموار می‌کنند.

به گزارش تک‌ناک، در جهشی بزرگ برای دنیای الکترونیک پوشیدنی، پژوهشگران دانشگاه EPFL موفق به ساخت سنسور الکترونیکی مبتنی بر الیاف شده‌اند که حتی هنگام کشیده شدن بیش از ده برابر طول اولیه خود، به‌طور کامل عملکرد خود را حفظ می‌کند. این دستاورد می‌تواند مسیر توسعه لباس‌های هوشمند، تجهیزات توانبخشی و رباتیک نرم را به‌طور بنیادین متحول کند.

اما نه فلزی خطرناک همان‌طور که ممکن است تصور کنید. در آزمایشگاه مواد فوتونیک و دستگاه‌های الیافی (FIMAP) در دانشکده مهندسی EPFL، «فلز مایع» به آلیاژی ایمن و انعطاف‌پذیر از ایندیوم و گالیم اشاره دارد؛ آلیاژی غیرسمی که در دمای اتاق مایع باقی می‌ماند و هدایت الکتریکی بی‌نظیری ارائه می‌دهد. مشکل اصلی، تبدیل این آلیاژ به ماده‌ای است که هم انعطاف‌پذیر و کشسان باشد و هم هدایت الکتریکی خود را به‌طور مطمئن حفظ کند.

فابیان سورین، رئیس آزمایشگاه FIMAP، توضیح می‌دهد:

«فلزات مایع پردازش بسیار دشواری دارند و به‌ویژه تولید الیاف الکترونیکی که هم هدایت بالا و پایدار داشته باشند و هم قابلیت کشش داشته باشند، چالش بزرگی است.» تیم EPFL اکنون این چالش را با بهره‌گیری از تکنیک «کشیدن حرارتی» که به‌طور سنتی برای ساخت فیبرهای نوری استفاده می‌شود، پشت سر گذاشته است. سورین می‌گوید: «ما کشیدن حرارتی را در فرآیندی ساده و بهینه برای تولید سنسورهای الیافی با ویژگی‌های الکترونیکی دقیق ادغام کرده‌ایم؛ این امر آن‌ها را به گزینه‌های بسیار امیدوارکننده‌ای برای پارچه‌های هوشمند در کاربردهای ورزشی و پایش سلامت تبدیل می‌کند.»

هوشمند، انعطاف‌پذیر و کشسان با کمک فلز مایع

این فرآیند با یک «پریفُرم» آغاز می‌شود؛ نسخه‌ای بزرگ از الیاف الکترونیکی که اجزای فلز مایع آن در الگوی سه‌بعدی دقیقی قرار گرفته‌اند. پریفُرم سپس گرم و کشیده می‌شود، مانند پلاستیک مذاب، تا الیاف نازکی تولید شود که ساختار داخلی پیچیده خود را حفظ می‌کند. استلا لاپروساز، دانشجوی دکتری و نویسنده اول مقاله، تاکید می‌کند که این الگوی سه‌بعدی کلید موفقیت است، زیرا به پژوهشگران امکان می‌دهد مناطق فعال یا عایق یک فیبر را مشخص کنند.

هنگام مخلوط شدن فلز مایع با ماتریکس الاستومری نرم، قطره‌های کوچکی شکل می‌گیرند. حرارت و کشش پریفُرم این قطره‌ها را فعال می‌کند و امکان تنظیم دقیق عملکرد هر فیبر را فراهم می‌آورد. آزمایش‌ها نشان داد که این فیبرها حتی پس از کشیده شدن بیش از ده برابر طول اولیه، حساسیت بالای خود را حفظ کرده و عملکرد بهتری نسبت به سنسورهای کشسان سنتی دارند که معمولا هنگام تغییر شکل کارایی خود را از دست می‌دهند. این تعادل بین هدایت الکتریکی، انعطاف و سادگی فرآیند، روش EPFL را به گزینه‌ای بسیار جذاب برای کاربردهای پوشیدنی تبدیل کرده است.

یک زانوبند هوشمند

برای نمایش ظرفیت این فناوری، تیم پژوهشی الیاف خود را در یک زانوبند نرم جاسازی کرد که توانایی ردیابی حرکات کاربر را دارد. این زانوبند موفق شد خم شدن مفصل را در هنگام راه رفتن، دویدن، اسکوات و پرش به دقت ثبت کند و حتی الگوی دویدن فرد را با جزئیات بازسازی کند.

سورین توضیح می‌دهد:

«با توجه به سهولت ادغام، این فیبر به راحتی می‌تواند برای ردیابی حرکات و شناسایی ناهنجاری در سایر مفاصل، مانند مچ پا، شانه یا مچ دست نیز مورد استفاده قرار گیرد.» او تاکید می‌کند که گسترش مقیاس، گام بعدی تیم است: «دستگاه‌های الکترونیکی سنتی اغلب شکننده یا سخت هستند و نمی‌توان آن‌ها را به پارچه‌ها افزود، اما فیبر ما می‌تواند در مترها یا حتی کیلومترها پارچه ادغام شود. چنین پارچه‌ای می‌تواند برای تولید پوشیدنی‌ها، پروتزهای نرم یا حسگرهای اندام رباتیک به کار گرفته شود.»

این پژوهش در مجله معتبر Nature Electronics منتشر شده است.

نوشته ساخت الیاف فلز مایع که تا ۱۰ برابر کش می‌آیند اولین بار در Technoc. پدیدار شد.