Zwykły papier zamienia się w elastyczną klawiaturę zasilaną przez człowieka

Smartfony, tablety, opaski fitness, słuchawki. Większość urządzeń elektronicznych, których używamy obecnie, jest wykonana ze sztywnego metalu, plastiku i szkła. Ale elektronika nie musi taka być, mówi Marina Sala de Medeiros. Pomyśl o nowej elektronicznej klawiaturze jej zespołu. Nie ma baterii. Dotyk użytkownika daje jej całą moc potrzebną do działania.

„Jakakolwiek elektronika, którą posiadasz – pomyśl tylko, jeśli mógłbyś zrobić to z papieru” – mówi. Papier jest tani i jest go dużo. Jest również elastyczny i lekki.

Sala de Medeiros jest inżynierem na Uniwersytecie Purdue w West Lafayette w Indiach. Ona i jej koledzy znaleźli sposób na przekształcenie zwykłej kartki papieru w prostą elektroniczną klawiaturę. Wiele zespołów na całym świecie pracuje nad elektroniką papierową. Ale to nowe urządzenie jako pierwsze samo się zasila, a także odpycha wodę i kurz.

Naukowcy opisali ten nowy wynalazek w numerze Nano Energy z grudnia 2020 roku

Obrazy mikroskopowe papieru, który Sala de Medeiros potraktowała substancją chemiczną podobną do teflonu, pokazują, że struktura włókien papieru nie uległa zmianie. Substancja chemiczna wchłaniana przez włókna bez ich zmiany. Dzięki temu materiał nadal wygląda i zachowuje się jak zwykły papier. UNIWERSYTET PURDUE

Żadna chwila nie zainspirowała jej papierowej klawiatury, mówi Sala de Medeiros. Zamiast tego skupiła się na urządzeniach, nad którymi pracowali inni inżynierowie. Następnie zadała sobie pytanie: „Jakie są luki? Co mogę przezwyciężyć?”

Wysoki koszt był problemem w przypadku niektórych elastycznych urządzeń elektronicznych. Postanowiła więc pracować z tanimi materiałami. To ułatwiłoby ostatecznie przekształcenie jej pomysłu w coś, na co większość ludzi mogłaby sobie pozwolić. Wspomina również, że chciała czegoś, co przypominałoby zwykły papier, który łatwo nie zmókłby ani nie brudziłby się. Powinien też „zmieścić się w kieszeni” – mówi.

Teflon to powłoka chemiczna, która zapobiega przywieraniu potraw do garnków i patelni. Podobne związki mogą również sprawić, że papier będzie wodoodporny. Zaczęła więc testować niektóre z tak zwanych związkami perfluorowanymi (Pur-FLOOR-ih-nay-tid) chemikaliów.

O dziwo, ten, który miał wykonać najlepszą robotę, w ogóle nie działał. Kiedy spryskała nim papier, woda wciąż przesiąkała. Co poszło nie tak?

Po kilku badaniach Sala de Medeiros odkryła, że ta substancja chemiczna reaguje z powietrzem. „Jak tylko otworzyłam fiolkę, zabiłam substancję chemiczną” – uświadomiła sobie.

Musiała kupić więcej chemii – i specjalny sprzęt. Teraz chemia działa zgodnie z planem. Po rozpyleniu papier nadal wygląda jak papier. Ale woda spływa po jego powierzchni, zamiast przesiąkać.

Sukces!

Moc na wyciągnięcie ręki

Następnym krokiem było dodanie układu elektronicznego. Zespół umieścił szablon w kształcie obwodu na odwrocie kartki. Następnie rozpylili kilka warstw materiałów. Dwie warstwy zawierały drobne cząsteczki niklu. Działają one jak przewody przenoszące prąd przez obwód. Ostatnią warstwą jest kolejna powłoka podobnej do teflonu substancji chemicznej. Wreszcie zespół odwrócił kartkę i wydrukował klawiaturę z cyframi po drugiej stronie. Dodali również mały chip Bluetooth. To pozwoliło ich papierowemu urządzeniu komunikować się z komputerem.

Obwód potrzebuje źródła energii elektrycznej. To pochodzi od dotknięcia palcem. „Kiedy piszesz, możemy wykorzystać energię” – mówi Sala de Medeiros. Taka elektryzacja (Try-boh-ee-LEK-trik) pochodzi z tarcia dwóch przedmiotów, które się dotykają lub ocierają. (Możesz sam wygenerować ten rodzaj elektryczności statycznej. Po prostu przejdź po puszystym dywanie w skarpetkach. Prawdopodobnie nagromadzisz wystarczający ładunek elektryczny, aby poczuć “kopnięcie”, gdy później dotkniesz klamki lub innej osoby).

W nowej klawiaturze nacisk stuknięcia palcem ściera ze sobą warstwy materiału natryskiwane na papier. Generuje to niewielką ilość energii, zwykle około 20 woltów. To wysyła prąd wzdłuż wydrukowanych przewodów do układu Bluetooth. Chip następnie przesyła sygnał do komputera, informując go, jaki numer wcisnął człowiek. Ta liczba jest teraz wyświetlana na monitorze komputera.

– Napięcie, które urządzenie generuje po dotknięciu palcem, to niewiele – mówi Manos M. Tentzeris. Inżynier elektryk w Georgia Institute of Technology w Atlancie, nie brał udziału w badaniach. „W przypadku prostych konstrukcji, takich jak klawiatura”, zauważa, „to więcej niż wystarczająco”. Ale w przypadku bardziej energochłonnego urządzenia, takiego jak odtwarzacz filmów, nie byłoby wystarczająca.

Świat Harry’ego Pottera

W rzeczywistości wiele przydatnych urządzeń nie wymaga dużej mocy. Zespół Sala de Medeiros wydrukował również kontroler do odtwarzacza muzyki. Stukanie w strzałki przełącza między utworami. Przesuwanie palcem po wydrukowanym pasku powoduje zwiększenie lub zmniejszenie głośności. Muzyka jest odtwarzana z komputera, a nie z papieru.

W swoim laboratorium na Uniwersytecie Purdue Marina Sala de Medeiros (po lewej) i Daniela Chanci opracowują nowe typy elektroniki. Zespół inżynierów tworzy interaktywne urządzenia z papieru i odzieży. M. SALA DE MEDEIROS

W niedalekiej przyszłości taka papierowa elektronika będzie najbardziej przydatna jako czujniki. Na przykład prosty czujnik nadrukowany na pieniądzach mógłby pomóc w zapobieganiu fałszowaniu. Czujniki drukowane na opakowaniach żywności lub leków mogły wykryć, czy produkt stał się zbyt gorący lub zbyt zimny i nie jestjuż bezpieczny w użyciu.

Ostatecznie jednak tego typu innowacje mogą doprowadzić do „papieru, który jest rzeczywiście interaktywny, jak w Harrym Potterze” – mówi Tse Nga Ng. Jest inżynierem na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, który nie był zaangażowany w nowe badania. (W książkach o Harrym Potterze obrazki w gazetach lub fotografie wiszące na ścianie poruszają się i rozmawiają.) Któregoś dnia ludzie mogą nawet wydrukować własne papierowe tablety lub odtwarzacze muzyczne.

Źródło: Kathryn Hulick

M. Sala de Medeiros et al. Moisture-insensitive, self-powered paper-based flexible electronics. Nano Energy. Vol. 78, December 2020, p. 105301. doi: 10.1016/j.nanoen.2020.105301.

Zdjęcie: PURDUE UNIVERSITY

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x