En empilant et en connectant des couches de circuits étirables les unes sur les autres, les ingénieurs ont développé une approche pour construire des soft, "électronique extensible 3D" pliable qui peut contenir de nombreuses fonctions tout en restant mince et de petite taille. Le travail est publié dans le numéro du 13 août de Nature Électronique .

Comme preuve de concept, une équipe dirigée par l'Université de Californie à San Diego a construit un patch électronique extensible qui peut être porté sur la peau comme un pansement et utilisé pour surveiller sans fil une variété de signaux physiques et électriques, de la respiration, au mouvement du corps, à la température, au mouvement des yeux, à l'activité cardiaque et cérébrale. Le dispositif, qui est aussi petit et épais qu'une pièce de monnaie en dollars américains, peut également être utilisé pour contrôler sans fil un bras robotique.

"Notre vision est de fabriquer une électronique extensible en 3D qui soit aussi multifonctionnelle et performante que l'électronique rigide d'aujourd'hui, " a déclaré l'auteur principal Sheng Xu, professeur au Département de nano-ingénierie et au Center for Wearable Sensors, tous deux à la UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Xu a été nommé parmi la liste des 35 innovateurs de moins de 35 ans du MIT Technology Review en 2018 pour son travail dans ce domaine.

Pour faire passer l'électronique extensible au niveau supérieur, Xu et ses collègues construisent vers le haut plutôt que vers l'extérieur. « L'électronique rigide peut offrir de nombreuses fonctionnalités sur un faible encombrement - elles peuvent facilement être fabriquées avec jusqu'à 50 couches de circuits qui sont tous connectés de manière complexe, avec beaucoup de puces et de composants emballés densément à l'intérieur. Notre objectif est d'y parvenir avec une électronique extensible, " dit Xu.

Le nouveau dispositif développé dans cette étude se compose de quatre couches d'étirables interconnectées, circuits imprimés flexibles. Chaque couche est construite sur un substrat en élastomère de silicone à motifs avec ce qu'on appelle une conception "en île-pont". Chaque "île" est une petite, partie électronique rigide (capteur, antenne, Puce Bluetooth, amplificateur, accéléromètre, résistance, condensateur, inducteur, etc.) qui est attaché à l'élastomère. Les îles sont reliées par des "ponts" extensibles en fils de cuivre en forme de ressort, permettre aux circuits de s'étirer, plier et tordre sans compromettre la fonction électronique.

Établir des connexions

Ce travail surmonte un obstacle technologique à la construction d'électronique extensible en 3D. "Le problème n'est pas d'empiler les couches. C'est de créer des connexions électriques entre elles pour qu'elles puissent communiquer entre elles, " dit Xu. Ces connexions électriques, appelés accès d'interconnexion verticaux ou VIA, sont essentiellement de petits trous conducteurs qui traversent différentes couches sur un circuit. Les VIA sont traditionnellement réalisées par lithographie et gravure. Bien que ces méthodes fonctionnent bien sur des substrats électroniques rigides, ils ne fonctionnent pas sur les élastomères extensibles.

Alors Xu et ses collègues se sont tournés vers les lasers. Ils ont d'abord mélangé un élastomère de silicone avec un colorant organique noir afin qu'il puisse absorber l'énergie d'un faisceau laser. Ensuite, ils ont façonné des circuits sur chaque couche d'élastomère, les a empilés, puis frappez certains endroits avec un faisceau laser pour créer les VIA. Après, les chercheurs ont rempli les VIA de matériaux conducteurs pour connecter électriquement les couches les unes aux autres. Et un avantage d'utiliser des lasers, note Xu, est qu'ils sont largement utilisés dans l'industrie, la barrière au transfert de cette technologie est donc faible.

« bandage intelligent » multifonctionnel

L'équipe a construit un dispositif électronique extensible 3D de preuve de concept, qu'ils ont surnommé un "pansement intelligent". Un utilisateur peut le coller sur différentes parties du corps pour surveiller sans fil différents signaux électriques. Lorsqu'il est porté sur la poitrine ou le ventre, il enregistre les signaux cardiaques comme un électrocardiogramme (ECG). Sur le front, il enregistre les signaux cérébraux comme un mini capteur EEG, et lorsqu'il est placé sur le côté de la tête, il enregistre les mouvements du globe oculaire. Lorsqu'il est porté sur l'avant-bras, il enregistre l'activité musculaire et peut également être utilisé pour contrôler à distance un bras robotique. Le bandage intelligent surveille également la respiration, la température de la peau et les mouvements du corps.

« Nous n'avions pas d'utilisation finale spécifique pour toutes ces fonctions combinées, mais le fait est que nous pouvons intégrer toutes ces différentes capacités de détection sur le même petit pansement, " a déclaré le co-premier auteur Zhenlong Huang, qui a mené ce travail en tant que doctorant invité. étudiant dans le groupe de recherche de Xu.

Et les chercheurs n'ont pas sacrifié la qualité à la quantité. "Cet appareil est comme un" maître de tous les métiers ". Nous avons choisi de haute qualité, sous-composants robustes - le meilleur capteur de contrainte que nous ayons pu trouver sur le marché, l'accéléromètre le plus sensible, le capteur ECG le plus fiable, Bluetooth de haute qualité, etc. - et développé une manière intelligente d'intégrer tout cela dans un seul appareil extensible, " a ajouté le co-premier auteur Yang Li, un étudiant diplômé en nano-ingénierie à l'UC San Diego dans le groupe de recherche de Xu.

Jusque là, le pansement intelligent peut durer plus de six mois sans aucune baisse de performance, extensibilité ou flexibilité. Il peut communiquer sans fil avec un smartphone ou un ordinateur portable jusqu'à 10 mètres de distance. L'appareil fonctionne sur un total d'environ 35,6 milliwatts, ce qui équivaut à la puissance de 7 pointeurs laser.

L'équipe travaillera avec des partenaires industriels pour optimiser et affiner cette technologie. Ils espèrent le tester en milieu clinique à l'avenir.