Os pesquisadores de engenharia mecânica da Carnegie Mellon desenvolveram uma nova técnica de fabricação escalável e reprodutível que pode acelerar a adoção e a comercialização de produtos eletrônicos macios e elásticos.
A próxima geração de tecnologia robótica produzirá máquinas e robôs macios que são seguros e confortáveis ​​para interação física direta com humanos e para uso em ambientes frágeis. Ao contrário dos eletrônicos rígidos, os eletrônicos macios e elásticos podem ser usados ​​para criar tecnologias vestíveis e eletrônicos implantáveis, onde o contato físico seguro com tecido biológico e outros materiais delicados é essencial.

Robôs macios que manuseiam frutas e vegetais delicados com segurança podem melhorar a segurança alimentar evitando a contaminação cruzada. Robôs feitos de materiais macios podem enfrentar as profundezas inexploradas do mar para coletar delicados espécimes marinhos. E as muitas aplicações biomédicas para robôs macios incluem dispositivos vestíveis e assistivos, próteses, ferramentas macias para cirurgia, dispositivos de administração de drogas e função de órgãos artificiais.

Mas criar esses componentes quase imperceptíveis que podem se integrar perfeitamente à vida humana é apenas o primeiro passo. A adoção generalizada e a comercialização de eletrônicos macios e elásticos exigirão o desenvolvimento de novas técnicas de fabricação que sejam escaláveis ​​e reproduzíveis.

Embora uma variedade de métodos já tenha demonstrado a capacidade de fabricar dispositivos baseados em metal líquido em menor escala em laboratórios, esses métodos ainda não resultaram na combinação crítica de recursos desejados necessários para produzir eletrônicos macios e elásticos baseados em metal líquido. em escala comercialmente viável.

Uma equipe de pesquisadores da Faculdade de Engenharia da Universidade Carnegie Mellon procura mudar isso com um novo método desenvolvido para a fabricação em massa de dispositivos eletrônicos macios e elásticos à base de metal líquido. Seu trabalho foi publicado em Advanced Materials Technologies .

Kadri Bugra Ozutemiz, que recentemente obteve seu Ph.D. em engenharia mecânica, desenvolveu uma nova abordagem que alcança escalabilidade, precisão e compatibilidade microeletrônica combinando o uso de metal líquido com fotolitografia e revestimento por imersão à base de wafer.

Ozutemiz, que trabalhou com Carmel Majidi e Burak Ozdoganlar, ambos professores de engenharia mecânica, explica que os metais líquidos se tornaram populares nos últimos anos como condutores de circuitos extensíveis para criar sensores e antenas, bem como fiação macia e extensível para vários eletrônicos e robótica formulários.

A liga à base de gálio, gálio-índio eutético (EGaIn), é líquida à temperatura ambiente, pode fluir livremente dentro de canais, possui alta condutividade elétrica e pode ser deformada desde que encapsulada em outro meio.

"Tivemos que entender melhor as propriedades inerentes das ligas líquidas à base de gálio para superar os desafios que as tornam inadequadas para fabricação em massa", disse Ozutemiz.

O desafio mais significativo foi que uma fina "pele" de óxido de gálio se forma rapidamente quando o metal líquido é exposto ao ar, o que dificulta a obtenção de uma forma ou geometria uniforme e contínua. O metal líquido gruda em todos os lugares, fluindo em uma ampla variedade de formas mutáveis.

“Nossa equipe desenvolveu uma nova abordagem que combina a umectação seletiva da liga metálica que deposita o metal líquido no layout do circuito desejado com um processo de revestimento por imersão que dissolve a película de óxido que resulta quando o EGaln é exposto ao ar”, explicou Ozutemiz.

Traços finos de metal, feitos de cobre acessível e prontamente disponível, são primeiro modelados litograficamente em uma superfície de elastômero como uma camada umectante. Os traços servem como moldes para depositar seletivamente o EGaln na superfície de borracha de silicone.

A fim de dissolver a pele de óxido, mantendo a deposição seletiva do metal líquido, os pesquisadores desenvolveram uma nova abordagem que combinou a umectação seletiva da liga metálica com um processo de revestimento por imersão.

O revestimento por imersão, que tem sido usado na indústria de microeletrônica, mas não com metais líquidos, facilita a deposição de EGaIn seletivamente no layout do circuito definido por traços de cobre litograficamente padronizados em wafers revestidos com elastômero de maneira escalável.

Um sistema de movimento automatizado de alta precisão e um banho de imersão de duas camadas são usados ​​para depositar o EGaIn na camada de molhagem de cobre padronizada. O banho inclui uma fina camada de solução aquosa de hidróxido de sódio (NaOH) na superfície superior, seguida pelo EGaIn. A solução de NaOH facilita a remoção da película de óxido e de qualquer oxidação na superfície dos traços de cobre quando o wafer modelado é mergulhado no banho. O wafer é então imerso no banho e, após um curto tempo de permanência, é retirado a uma velocidade prescrita que controla a quantidade de líquido depositado no substrato.

Os pesquisadores usaram uma máquina simples feita sob medida para mergulhar as bolachas no banho. Ao controlar a velocidade de retirada, eles produziram com sucesso geometrias de metal líquido repetíveis.

Em testes futuros, eles trabalharão para controlar parâmetros como a velocidade de retirada e o tempo que o wafer permanece no banho para entender melhor o que afeta cada variável na geometria resultante. Mas, por enquanto, eles estabeleceram um processo viável para a produção em massa de circuitos de metal líquido que podem ser usados ​​em uma ampla variedade de aplicações robóticas e eletrônicas suaves.

"Para nós, o mais importante foi alcançar resultados repetíveis com um processo padrão que já é usado pelos fabricantes de chips", disse Ozutemiz, que explicou que, ao introduzir um novo material em um processo bem estabelecido, os fabricantes poderão produção em escala que permitirá uma adoção mais ampla desses inovadores robôs macios e dispositivos eletrônicos. + Explorar mais

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