Японские ученые из университета Кюсю создали ультратонкую электронную систему, обладающую возможностью автономного соединения, рассоединения и изменения своей структуры без внешнего воздействия. Разработчики утверждают, что данная инновация прокладывает дорогу к появлению принципиально новой категории «кинетической электроники», способной адаптироваться к меняющимся условиям эксплуатации аналогично живым существам.

В настоящее время большая часть электронных приборов имеет жесткую структуру с предопределенной организацией. Группа японских исследователей на протяжении нескольких лет ведет работу над кинетической электроникой – тонкими пленками, объединяющими электрические цепи и микроскопические двигатели, что дает возможность устройствам перемещаться, соединяться и функционировать как единое целое.

«В рамках данной работы был создан электромеханический механизм для соединения тонкоплёночных модулей, обеспечивающий их автоматическое слияние и разъединение по мере необходимости », — поделился доцент факультета информационных технологий и электротехники Университета Кюсю Фумихиро Сасса.

Эластичные электронные устройства формируются с применением податливых компонентов, которые обеспечивают возможность изгибов и растяжения электрических цепей без риска их разрушения. Данный подход представляется перспективным для создания носимых медицинских приборов мониторинга состояния здоровья, гибких имплантируемых систем и мягкой роботизированной техники, предназначенной для безопасного взаимодействия с людьми и функционирования в сложных условиях.

Ключевым нововведением представленной разработки стало сочетание электронной цепи и специализированного функционального слоя в рамках одной тонкой структуры. Этот слой сформирован из двух полимерных соединений – полипропилена и полиимида, демонстрирующих различную степень расширения при нагревании.

При включении встроенного микронагревателя на основе золота и повышении температуры плёнки, оба материала начинают увеличиваться в объеме с разной скоростью. Это приводит к деформации всей конструкции по заранее определенному маршруту, что позволяет модулю осуществлять требуемые механические операции.

Основываясь на этом методе, специалисты создали несколько моделей автоматизированных систем соединения элементов. Один из вариантов предполагает соединение посредством зацепления в форме петли. Альтернативный подход использует конструкцию, напоминающую коготь, который после сращивания остаётся надёжно закреплённым даже при отсутствии электропитания.

Как утверждают создатели, были разработаны два принципиально разных варианта кинетической электроники: конструкция с применением плоского датчика и сборно-разборная система.

Проведенные тесты продемонстрировали, что данное решение позволяет одновременно осуществлять механическое объединение отдельных компонентов и гарантировать качественное электрическое соединение между ними.

Устройство функционирует в диапазоне напряжения от 5 до 12 вольт. В процессе соединения механизм способен деформироваться примерно на 10 миллиметров, при этом затрачивается приблизительно 1,1 ватта энергии. Модуль разъединения отличается еще большей энергоэффективностью: его типичное потребление электроэнергии составляет всего 0,43 ватта, обеспечивая удержание соединения с усилием около 6,1 миллиньютона.

Ключевым аспектом разработки стало то, что после установления связи механический фиксатор и электрическая цепь остаются работоспособными даже при полном прекращении подачи энергии. Это указывает на перспективность создания электронных систем, способных к самосборке и перенастройке без необходимости непрерывного электропитания для сохранения соединения.

Разработчики полагают, что данное решение может оказаться полезным в широком спектре сфер деятельности. В будущем медицинские приборы смогут адаптировать свою конфигурацию для мониторинга разнообразных параметров здоровья человека, гибкие роботы – модифицировать форму ради перемещения по ограниченному пространству, а неисправные электронные компоненты – автономно восстанавливать прерванные связи.

Несмотря на то что технология пока демонстрирует начальный этап совершенствования, ученые надеются разработать приспособления, которые, аналогично живым существам, будут способны к самосборке, подстройке под внешние условия и восстановлению функциональности после негативного воздействия.

Исследование опубликовано в журнале npj Flexible Electronics.