この液体金属はソフトエレクトロニクスを変える可能性があります| 革新

携帯電話を後ろのポケットに入れて座るたびに、人体は柔らかくてしなやかであるという根本的な真実を思い出します。 エレクトロニクスはそうではありません。

しかし、すぐに、損傷したときに伸びたり、曲がったり、修復したりできるデバイスが登場する可能性があります。 ガリウムと呼ばれる液体金属の珍しい特性を利用することにより、材料科学者は、仮想現実インターフェース、医療モニター、モーションセンシングデバイスなどのための新世代の柔軟なデバイスの作成を目指しています。

ノースカロライナ州立大学の化学技術者であるマイケル・ディッキー氏は、電子機器の機能を利用して柔らかくすることが目標だと述べています。 「つまり、体や他の自然のシステムはそれを行う方法を考え出しました。 確かに、私たちはそれを行うことができます。」

曲げ可能な電子機器は、従来の金属で作ることもできます。 しかし、固体の金属は疲労して破損する可能性があり、柔らかい材料に追加するほど、材料の柔軟性が低下します。 液体金属にはその問題はありません、とディッキーは言います—それらはほとんどまたは全く損傷なしで曲げられ、伸ばされ、そしてねじれることができます。

柔軟性は、ガリウムの有用な特性の1つにすぎません。 金属なので熱や電気を通しやすいです。 よく知られている液体金属水銀とは異なり、毒性が低く、蒸気圧が低いため、蒸発しにくいです。

ガリウムは水と同じくらい簡単に流れます。 しかし、空気中では、それはまた、堅い外側の酸化物層を素早く形成し、それを容易に半固体形状に形成することを可能にする。 液体金属を塩水に浸して電圧をかけることで、水の10倍の表面張力を変化させることもできます。

「私は偏見があるので、これを価値のあるものと考えてください。 しかし、これは非常に多くのユニークな特性を持っているので、周期表で最も興味深い材料の1つだと思います」とDickey、の共著者は言います ガリウムの概要 2021年に 材料研究の年次レビュー。

ガリウムへの関心は過去に遅れていました。これは、一部には有毒な水銀との不公平な関係があり、一部には酸化物層を形成する傾向が否定的であると見なされていたためです。 しかし、柔軟性があり、特にウェアラブルな電子機器への関心が高まるにつれ、多くの研究者が新たな注目を集めています。

ガリウムで曲げることができる回路を作るために、科学者はそれをゴムまたはプラスチックシートの間に埋め込まれた細いワイヤーに形成します。 これらのワイヤーは、コンピューターチップ、コンデンサー、アンテナなどの小さな電子機器を接続できます。 このプロセスでは、腕を包み込み、次の目的で使用できるデバイスを作成します。 アスリートの動き、速度、またはバイタルサインを追跡するたとえば、カーネギーメロン大学の機械エンジニアであるカーメルマジディは言います。

これらの液体金属ワイヤおよび回路は、大幅な曲がりやねじれに耐えることができます。 デモンストレーションとして、Dickeyは、破損することなく元の長さの最大8倍まで伸ばすことができるイヤフォンワイヤーを作成しました。 他の回路は、引き裂かれたときに自分自身を癒すことができます—エッジが互いに向かい合って配置されている場合、液体金属は一緒に逆流します。

ガリウム回路は、一時的な入れ墨のように、印刷して皮膚に直接適用することもできます。 「インク」は、心臓や脳の活動を監視するために使用される従来の電極のように機能します、とマジディは言います。 柔軟な素材に金属を印刷する。 入れ墨は、既存の電極よりも柔軟性と耐久性があり、長期間の使用に有望です。

液体金属の形状変化の質は、他の潜在的な用途を開きます。 金属を絞ったり、伸ばしたり、ねじったりすると、その形状が変化し、形状の変化によって電気抵抗も変化します。 したがって、ガリウムワイヤーのメッシュに小さな電流を流すことで、研究者は材料がどのようにねじられ、引き伸ばされ、押し付けられているかを測定できます。

この原理は、バーチャルリアリティ用のモーションセンシンググローブを作成するために適用できます。ガリウムワイヤーのメッシュがグローブの内側の薄くて柔らかいフィルムの中に埋め込まれている場合、コンピューターは着用者が手を動かすときの抵抗の変化を検出できます。 。

「これを使用して、自分の体の動きや接触している力を追跡し、その情報を、体験している仮想世界に伝えることができます」とマジディ氏は言います。

このプロパティは、Dickeyが「ソフトロジック」と呼ぶものを使用して動作するマシンの可能性を高めます。 ソフトロジックを使用するマシンは、計算を必要とするのではなく、グリッド全体の電気抵抗の変化に直接基づいた単純な反応を示します。 グリッドのさまざまな部分を押したり、引いたり、曲げたりすると、さまざまな応答がアクティブになるように設計できます。 デモンストレーションとして、Dickeyは、材料が押された場所に完全に応じてモーターまたはライトをオン/オフできるデバイスを作成しました。

「ここには半導体はありません。 トランジスタはなく、頭脳もありません。それは、素材に触れる方法に基づいているだけです」とディッキーは言います。

このような低レベルの触覚ベースのロジックを使用して構築できます デバイスへの応答性、ソフトロボットに反射神経を組み込むのと似ています。このような反応は、情報を処理するための複雑な「脳」を必要としませんが、環境刺激、色や熱特性の変化、または電気の方向転換に直接反応することができます。

そして、ガリウムが空気にさらされたときに形成されるその外側の酸化物層は、現在利用されています。 酸化物層は、金属がその形状を保持することを可能にし、あらゆる種類の可能性を開きます パターニングと製造。 ガリウムの小さな滴を互いに高く積み重ねることができます。 ガリウムの液滴を表面に沿ってドラッグすると、回路として使用できる酸化物の薄い跡が残ります。

さらに、水中では、少量の電圧を印加することで酸化物層を形成および消失させ、ビーズを瞬時に形成および崩壊させることができます。 前後に切り替えることで、ディッキーはビーズを上下に動かすことができます。 洗練されれば、この特性はロボットの人工筋肉の基礎を形成する可能性があると彼は言います。

ディッキーは、この技術はまだ初期段階にあり、これまでの作業は、それをどのように商品化できるかを示唆しているにすぎないことを認めています。 しかし、ガリウムには非常に多くの興味深い特性があり、ソフトエレクトロニクスやロボット工学で役立つはずだと彼は言います。

彼はこの分野をコンピューティングの初期の頃と比較しています。 真空管と機械式スイッチで作られた初期の実験用コンピューターは、今日の基準では粗雑ですが、それらは現代の電子機器を生み出した原則を確立しました。

マジディ氏はまた、近い将来、液体金属が商業的に使用されることを期待していると述べています。

「今後数年間で、液体金属技術のこの移行が業界や市場でますます見られるようになるでしょう」と彼は言います。 「現時点では、それほど技術的なボトルネックではありません。 それは、実際に違いを生む液体金属の商用アプリケーションと使用法を見つけることです。」

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