Perguntas e respostas:Fabricação ultrarrápida de sensores vestíveis

Ying Zhong, professora assistente de engenharia mecânica da Universidade do Sul da Flórida, e sua equipe inventaram uma nova maneira de imprimir sensores vestíveis sem ligantes de polímero. Eles chamam seu produto de e-skin.

Resumos técnicos :O que lhe deu a ideia de usar a força eletrostática para imprimir sensores flexíveis?

Professor Ying Zhong: Tínhamos alguns colaboradores que fabricavam dispositivos flexíveis — imprimindo-os com serigrafia. Isso significa que você precisa misturar pós funcionais com aglutinantes, aquecê-los e esperar que sequem, o que leva muito tempo. Então, estávamos procurando maneiras de imprimir mais rapidamente, sem aquecimento e secagem.

Eu estava trabalhando em outro projeto interessante:usar descarga corona para tratar a superfície de filmes de polímeros. Percebemos que a coroa poderia gerar um tipo único de campo elétrico forte que poderíamos usar para levantar pequenos objetos. Isso nos fez pensar se seria possível colocar pós secos embaixo do filme para atrair os pós diretamente para o substrato - nós tentamos e funcionou.

Descobrimos um problema e percebemos que uma tecnologia em que já estávamos trabalhando poderia ser a solução.

Resumos técnicos: Acho que é assim que o progresso geralmente acontece na tecnologia. Minha próxima pergunta é que, uma vez que as partículas são atraídas para o substrato, como elas são mantidas lá?

Zhong: Conforme descrevemos em nosso artigo publicado, estamos usando fita adesiva médica de oito micrômetros de espessura, que possui um revestimento adesivo para reter as partículas. É tão fino que, quando você o adere à sua pele, não o sentirá.

Resumos técnicos: Como você incorporaria diferentes tipos de sensores ao fabricar isso?

Zhong: Esta tecnologia de impressão é “universal” – pode imprimir diferentes tipos de materiais funcionais. Assim, por exemplo, podemos usar grafeno ou nanotubos de carbono (CNTs), que alteram a resistividade para refletir a mudança na deformação. O mecanismo de trabalho é que a deformação altera a distância entre as partículas, causando uma mudança na resistência que reflete a magnitude da deformação no sensor.

Também relatamos um sensor de temperatura baseado em pós termocrômicos em nosso artigo. Como eu disse, esta é uma tecnologia de impressão universal – você pode imprimir diferentes tipos de materiais funcionais. Agora estamos demonstrando que podemos imprimir tatuagens sensíveis à temperatura que mudam de cor quando a temperatura muda. Também estamos tentando imprimir materiais que podem ser sensíveis à umidade e a diferentes tipos de gases, como amônia, monóxido de carbono e outros.

Resumos técnicos: Você já pensou em como isso poderia ser implementado comercialmente? Parece-me que você teria que construir um tipo totalmente diferente de impressora 3D.

Zhong: Sim, estamos atualmente colaborando com a Jabil, inc. para construir um sistema roll-to-roll, que pode permitir a fabricação de dispositivos em alta velocidade. Como não usamos ligantes, não precisamos aplicar calor e esperar o material secar. Isso significa que, usando este sistema rolo a rolo para imprimir — para gerar a força eletrostática — podemos fabricar dispositivos flexíveis e até estruturas 3D em um ritmo rápido e baixo custo.

Resumos técnicos: É difícil gerar e lidar com a alta tensão necessária para produzir corona?

Zhong: Embora precisemos de 20 a 30 quilovolts para gerar a coroa, a corrente é muito baixa, inferior a 0,1 mA – nosso equipamento de laboratório usa menos de 2 watts de energia – é muito eficiente em termos de energia.

Resumos técnicos: É um problema garantir que a alta tensão não cause danos?

Zhong: Bem, é claro que você deve gerenciar o sistema e cobrir todas as áreas condutoras ao redor. Com base em nossas observações, contanto que você cubra o suporte do eletrodo com camadas isolantes, ele deve funcionar muito bem - não tivemos muitos problemas com isso.

Resumos técnicos: Que tipo de material você usa para a capa?

Zhong: Por enquanto, em nosso laboratório, estamos simplesmente usando fitas isolantes. No futuro, estamos planejando criar um revestimento de superfície melhor controlado ou suportes isolantes, o que pode ser feito facilmente. Podemos usar polímeros para realizar o revestimento e impressoras 3D para fabricar o protótipo. Temos vários projetos relacionados a polímeros em meu laboratório, então isso deve ser fácil.

Resumos técnicos: Você tem outras aplicações em mente além do seu sensor de tensão "e-skin"?

Zhong: Sim, por exemplo, temos conversado com uma empresa sobre a fabricação de tapetes inteligentes com sensor de tensão, o que se torna prático porque a nossa tecnologia de fabricação de baixo custo e ultrarrápida pode ser usada para imprimir produtos de grande área. A ideia é produzir um tapete que possa identificar quantas pessoas estão de pé sobre ele. Você pode então, por exemplo, ajustar o consumo de energia do sistema HVAC com base no número de ocupantes em uma sala.

Também estamos colaborando com um colega em um pedido de reabilitação física. Nosso colega trabalha com pessoas que têm dificuldade em controlar o comportamento de suas pernas. Como nosso sensor é ultrafino, é muito confortável e você pode torná-lo grande o suficiente para ser usado. Isso poderia ser usado para ajudá-los a identificar como eles podem controlar melhor o comportamento de suas pernas.

Há muitas aplicações futuras possíveis. Por exemplo, você pode anexá-lo à mão de um robô. Se você quiser que ele pegue algo, ele pode sentir quanta pressão está sendo aplicada e quanta área está em contato.

Resumos técnicos: Você tem um palpite de quando isso pode estar pronto para uso comercial?

Zhong: No momento, estamos trabalhando com a Jabil para montar um pequeno sistema roll-to-roll em nosso laboratório. Se funcionar bem, vamos instalá-lo na Jabil e ajudá-los a fabricar sensores em grande número ou tamanhos grandes. Isso pode levar de três a cinco anos, mas especialmente nos dias de hoje, é difícil prever.

Uma versão editada desta entrevista foi publicada na edição de janeiro de 2022 do Tech Briefs.