تصميم جديد لتطوير إلكترونيات قابلة للاسترداد مستوحى من الفراشة.. أجهزة إلكترونية ذاتية الإصلاح و”تغيير الشكل”

على مدى العقود الماضية، ابتكر مهندسو الإلكترونيات أجهزة بأشكال مختلفة وبتصميمات متطورة بشكل متزايد.

ويشمل ذلك الإلكترونيات التي يمكن طيها على نفسها، مثل الهواتف القابلة للطي، إلى جانب العديد من الأجهزة الأخرى القابلة للضغط.

قدم باحثون في جامعة آجو، ومعاهد أخرى في كوريا الجنوبية مؤخرًا تصميمًا جديدًا لتطوير إلكترونيات قابلة للاسترداد، أو بمعنى آخر، إلكترونيات يمكنها استعادة شكلها الأصلي بعد تفتيتها أو ضغطها على نفسها لتقليل حجمها.

هذا التصميم، الموضح في ورقة بحثية منشورة في مجلة Nature Electronics ، مستوحى من الآلية التي تسمح للفراشات بفتح أجنحتها عند مغادرة شرنقتها.

وقال سيونج يونج هان، المؤلف المشارك في الدراسة “الطبيعة غنية بالنباتات والحيوانات المختلفة، والتي نجت كل منها من خلال التكيف والتطور في البيئات القاسية”، “شخصيًا، كنت أعتقد دائمًا أنه من خلال مراقبة هذه الظواهر عن كثب، يمكننا العثور على أدلة لحل المشكلات المختلفة في المجتمع الحديث، وأيضًا، من خلال تناول هذا الأمر من منظور هندسي، اعتقدت أنه يمكننا تحقيق نتائج قد تحسن حياة الناس اليومية. ”

آلية فتح الأجنحة الطبيعية

قبل أن تولد الفراشة، تكون أجنحتها مطوية وملتفة على نفسها داخل شرنقة، والجدير بالذكر أن الأجنحة داخل الشرنقة تكون مبللة بسائل بيولوجي، مما يمنعها من التلف، وهي لا تزال مجعدة، عندما تخرج الفراشة من شرنقتها، يتبخر السائل، مما يسمح لها بفتح جناحيها ببطء، مما يؤدي إلى تبديد التجاعيد التي ظهرت أثناء طيها.

شرع هان وزملاؤه في إنشاء تصميم للإلكترونيات مستوحى من آلية فتح الأجنحة الطبيعية، وللقيام بذلك، قاموا أولاً بإنشاء مادة مركبة ذات صلابة متغيرة.

ويمكن التحكم في صلابة ونعومة هذه المادة دون الحاجة إلى مواد إضافية، وهذا يجعلها واعدة لتطوير إلكترونيات مرنة وقوية لا تظهر عليها التجاعيد، حتى بعد أن تتجعد.

وأوضح هان: “تم تصميم إلكترونياتنا القابلة للاسترداد لتقليد الخصائص الرائعة لأجنحة الفراشة، والتي يمكن أن تتجعد في شرنقة ثم تصبح ناعمة وعملية”، “إن تصميمها الأساسي يدمج الأسلاك الفضية النانوية، وبوليمر ذاكرة الشكل (SMP) والمطاط الصناعي، والأسلاك الفضية النانوية ليست فقط موصلة ولكنها تعمل أيضًا كعناصر استشعار ميكانيكية.

فهي تساعد في تغيير مرحلة SMP من خلال تسخين جول، وهو عملية تسخين مادة باستخدام تيار كهربائي.”

يعمل التصميم الذي يقترحه فريق البحث على النحو التالي: عندما يتم تجعد جهاز إلكتروني، فإن مادة SMP (مادة مرنة) التي يحتوي عليها تسمح له بالطي دون إظهار أي ضرر دائم، إذا تم تطبيق الحرارة على هذه المادة عبر سلسلة من الأسلاك الفضية، فإنها تتحول وتصبح صلبة.

وقال هان: “يساعد هذا التغيير الإلكترونيات على الانفتاح واستعادة شكلها الأصلي المسطح دون أي تجاعيد أو أضرار دائمة”، “يمكن للأجهزة التي تم إنشاؤها باستخدام تصميمنا أن تتحمل التفتت والفتح بشكل متكرر دون فقدان وظائفها.

وينتج عن تصميمنا أيضًا كفاءة تعبئة عالية، مما يسمح بضغط الأجهزة في مساحات صغيرة جدًا (مثل كبسولة سعة 1 مل) ثم توسيعها مرة أخرى إلى حجمها الأصلي مقاس.”

يتميز التصميم الفريد الذي قدمه هان وزملاؤه بالعديد من الخصائص المفيدة. أولاً، يتيح للمستخدمين تعديل صلابة الأجهزة بسهولة وفقًا لاحتياجاتهم.

وقال هان: “بعد تفتيتها، يمكن للأجهزة العودة إلى شكلها الأصلي ووظيفتها، وهي خاصية مستوحاة من الطبيعة“.

شاشة تعمل باللمس مقاس 7 × 7 سم

ولإظهار تصميمهم، استخدمه الباحثون حتى الآن لإنشاء شاشة تعمل باللمس مقاس 7 × 7 سم، لقد أظهروا أنه يمكن تفتيت هذه الشاشة إلى كبسولة صغيرة ثم فتحها لاحقًا، لتصبح سطحًا أملسًا ومسطحًا يمكنه اكتشاف اللمس.

وقال هان: “في جوهر الأمر، تمزج إلكترونياتنا القابلة للاسترداد بين مرونة الأنظمة الطبيعية ودقة التكنولوجيا الحديثة، مما يوفر نهجًا جديدًا لتصميم أجهزة إلكترونية مرنة ومتينة”، “في هذه الأيام، اعتاد الناس على الأجهزة الإلكترونية التي تنحني أو تطوى (مثل الهواتف القابلة للطي)، ومن المتوقع أن يزداد الاهتمام بالأجهزة الإلكترونية القابلة للتخصيص وتغيير الشكل في المستقبل.”

تطوير أجهزة إلكترونية قابلة للتخصيص وتغيير الشكل

تعتمد معظم أجهزة تغيير الشكل التي تم تطويرها سابقًا على هياكل قابلة للطي يتم طيها في أماكن محددة وبتكرار حركات مماثلة.

مع مرور الوقت، يمكن أن تتدهور هذه الأجهزة، على سبيل المثال إنتاج التجاعيد أو الثنيات أو الأضرار الهيكلية في المواقع التي تطوى فيها على نفسها.

وقال هان: “إن بحثنا يمكن أن يحل هذه المشاكل، وبالتالي يحتمل أن يساهم بشكل مباشر في تطوير أجهزة إلكترونية قابلة للتخصيص وتغيير الشكل”، “يمكن أيضًا تطبيق الأجهزة الإلكترونية التي طورناها على لوحات اللمس أو شاشات العرض، ومن المرجح أن تكون مفيدة بشكل خاص في التكنولوجيا القابلة للارتداء والروبوتات بسبب قدرتها على تغيير الشكل وطبيعتها المرنة، مما يجعلها مناسبة لأي مجال يتطلب التفاعل مع العالم. جسم الإنسان.”

يمكن أن يكون تصميم الإلكترونيات القابلة للاسترداد، الذي ابتكره هان وزملاؤه، مفيدًا لمجموعة واسعة من التطبيقات، بالإضافة إلى المساعدة في تطوير الروبوتات المتغيرة الشكل، والإلكترونيات القابلة للارتداء والشاشات القابلة للضغط، يمكن استخدامها لإنشاء مواد ذاتية الشفاء للتطبيقات الطبية والهندسية المتقدمة.

وقال هان: “هناك نقطة مهمة يجب ملاحظتها، وهي أن مواد الشفاء الذاتي لا تزال في المراحل الأولى من التطوير”، “هناك العديد من الفرص في عملية العثور على أين ولأي غرض يمكن تطبيق هذه المواد المطورة.

الفرق بين أجهزتنا الإلكترونية ذاتية الإصلاح والمواد ذاتية الإصلاح الموجودة هو أنه بينما ركزت المواد السابقة على استعادة شكلها الأصلي، فإن تركز الأجهزة الإلكترونية ذاتية الإصلاح على “تغيير الشكل” القابل للتخصيص والحفاظ على الأداء الوظيفي والتكيف بعد التحول.”

شاشة تدمج طبقة باعثة للضوء ولوحات تعمل باللمس

ويحاول هان وزملاؤه الآن استخدام تصميمهم لإنشاء العديد من الأجهزة الإلكترونية التي يمكن تسويقها لاحقًا، إنهم يعملون حاليًا على شاشة تدمج طبقة باعثة للضوء ولوحات تعمل باللمس، والتي يمكن تجعدها وتقليل حجمها دون تشكيل أي تجاعيد أو المساس بقدراتها.

الميزة الأكثر فائدة لهذه الشاشة هي أنه يمكن للمستخدمين طيها بسرعة وتخزينها في مساحات صغيرة، ثم فتحها عندما يرغبون في استخدامها.

وأضاف هان: “مع تطور PLEDs، أو الثنائيات القائمة على البوليمر، فإننا نركز على إنشاء شاشات يمكنها تغيير شكلها بمرونة من خلال دمج هذه التكنولوجيا مع التكنولوجيا الخاصة بنا”، “بالنظر إلى التطوير المستمر للهواتف القابلة للطي من قبل العديد من الشركات العالمية، فإننا نفكر أيضًا في مواصلة تطوير تقنيتنا لجعلها قابلة للتطبيق على الوحدات المختلفة المطلوبة في هذه الأجهزة.

وهذا من شأنه أن يوفر راحة عملية في الحياة اليومية، بما يتماشى مع الاحتياجات المتطورة للأجهزة الحديثة. الإلكترونيات.”