Istaživači razvili fluidni tranzistor

Nova klasa elektronskih uređaja zasnovanih na fluidnim tranzistorima vodi ka ostvarenju fleksibilnih komponenti elastičnih poput kože, koje se same popravljaju. Da li budućnost pripada tečnim računarima?

Jedini primeri „tečne elektronike“ donedavno su bili mikroprekidači sastavljeni od sitnih staklenih cevi s kuglicom žive koja se kotrlja između dve metalne elektrode, ostvarujući na taj način dva stanja prekidača (otvaranje i zatvaranje strujnog kola). Iako postoji više vrsta ovih prekidača, najčešće se koristi onaj s nagibom. Dva stanja prekidača ostvaruju se naginjanjem žive na jednu ili drugu stranu u odnosu na horizontalni položaj cevčice sa živom.

Najnovija otkrića mašinskih inženjera sa Univerziteta Karnegi Melon vode ka stvaranju nove klase elektronike. Istraživači sa ovog univerziteta Carmel Majidi i James Wissman (u okviru laboratorije Soft Machines) i Michael Dickey s Državnog univerziteta Severne Karoline, razvili su fluidni tranzistor koristeći metalnu leguru indijuma i galijuma. Ona se na sobnoj temperaturi ponaša kao tečnost.

Sofisticirani fluidni prekidači

Za razliku od prekidača sa živom, fluidni tranzistor radi na principu uspostavljanja i prekidanja veze metalne kapljice i žice, što se ostvaruje promenom polariteta napajanja. Jedan smer omogućava spajanje kapljice sa žicom i zatvaranje strujnog kola. Suprotan smer napona odvaja kapljicu od žice i prekida strujno kolo. Na taj način simulira se funkcija tranzistora kao prekidačkog elementa.

Prin­cip fun­kci­oni­sa­nja flu­i­dnog tran­zis­tora

Istraživanja inženjera sa Univerziteta Karnegi Melon, koja su dovela do realizacije fluidnih tranzistora, izvedena su u oblasti fizičke hemije koja se naziva mikrofluidika. Ispitivanjem kapljice tečnog metala inženjeri su otkrili da postoji veza između napona i elektrohemijske reakcije, pri čemu napon stvara gradijent u oksidaciji na površini kapljice. Time se menja površinski napon, što uzrokuje da se kapljica podeli na dva dela (otvoren prekidač). Postupkom koji se naziva reverzibilna koalescencija delovi se mogu ponovo spojiti formirajući metalni most koji provodi struju (zatvoren prekidač). Sve se to dešava pod dejstvom niskog napona (1 do 10 V), čiji se smer menja kako bi se ostvarila dva moguća stanja ovog prekidača.

Deoba kapljica tečnosti obično se reguliše fluidnim nestabilnostima koje se javljaju u statičkim ili hidrodinamičkim uslovima (Rayleigh‑jeva nestabilnost). Iako je nauci gotovo sve već poznato o njihovoj ulozi u fluidnoj mehanici, ipak je vrlo malo studija o tome kako se ove nestabilnosti mogu iskoristiti za kontrolu interakcije kapljice u elektrohemijskim sistemima. Na taj način mogu da se kreiraju mikrofluidne komponente koje imaju sposobnost da direktno funkcionišu s konvencionalnom mikroelektronikom
i napajanjem.

Iako primeri mikrofluidnih prekidača zasnovanih na tečnosti već postoje, oni su do sada zahtevali visok napon. S primenjenim niskim naponom, fluidni prekidač na bazi legure indijuma i galijuma ponaša se kao tranzistor. On sadrži brojač (C – Counter) i tri elektrode svojstvene strukturi FET‑a: sors (S – Source), gejt (G – Gate) i drejn (D – Drain). Između G i S dovodi se napon napajanja, a izlazni signal posmatra između D i S. Dve kapljice tečnog metala analogne su drejnu i sorsu. Provodnost ove strukture menja se tri puta u zavisnosti od toga da li su kapljice spojene ili odvojene.

Elektronika koja se sama popravlja

Ovako kreirani fluidni tranzistori otvaraju mnoge nove mogućnosti primene. U budućnosti oni će se koristiti za realizaciju raznih elektronskih kola, pri čemu će biti moguće oblikovanje tih kola zbog korišćenja tečnosti umesto materijala u čvrstom stanju (fleksibilna elektronika). S obzirom na to da su napravljeni od tečne legure metala koja nije toksična, bez ikakvih mogućih posledica mogu se dodavati drugim savitljivim materijalima (na primer, gumi) kako bi se stvorili mekani, rastegljivi sklopovi.

Zavisno od promene konfiguracije, ovi oblici mogu menjati i svoju funkciju. Na taj način fluidni tranzistori mogu se koristiti za strukture podložne veoma velikim fizičkim deformacijama, poput letećih robota koji imitiraju osobine ptice. Kada robot‑ptica raširi krila, kolo na krilima se takođe deformiše i ponovo konfiguriše kad se krila sklope, tako da elektronika, bez obzira na deformacije, ostaje u potpunosti operativna.

O­blik ko­ji nas­ta­je pod kon­tro­lom pro­grama

Vrlo značajna potencijalna primena elektronike bazirane na ovim komponentama jeste u oblasti medicine. Fluidni tranzistori otvaraju mogućnost minijaturnih tečnih računara koji su biokompatibilni i mogu se direktno povezati s telesnim tkivima kako bi se nadgledala bolest, zaobilazile oštećene oblasti tkiva (bajpas) ili, na primer, pacijentu s moždanim udarom vratile funkcije mozga. Mogu se napraviti i roboti promenljivog oblika koji bi našli primenu u medicini kao biokompatibilni elementi.

Programiranje oblika

Istraživači iz Velike Britanije, sa univerziteta Saseks u Brajtonu, radili su na primeni tečnog metala. Oni su otkrili načine korišćenja tečnih metala za kreiranje taktilnih efekata i prikaz fizičkih oblika. Primenili su električnu energiju za manipulaciju tečnim metalom, koristeći impulse i kretanje kapljica kako bi stvorili novu vrstu taktilnih povratnih informacija. Takođe su koristili sistem za oblikovanje metala u 2D oblike (slova, logotipi…). Ovi pronalasci nove klase materijala koji se mogu programirati kako bi im se promenio oblik, otvaraju potpuno nove mogućnosti u soft robotici.

Iako ovo dostignuće podseća na morfije iz naučnofantastičnih filmova, koji se formiraju od kapljica tečnog metala, kreiranje 3D oblika objekata još je daleko od realnosti. Za početak, ovaj pronalazak mogao bi da se primeni na mobilne uređaje koji menjaju oblik (sa fluidnim elementima). Time bi se ostvarila vizija mnogih istraživača da promene oblik, izgled i funkcionalnost bilo kog objekta kroz digitalnu kontrolu.

Istraživanje je publikovano na konferenciji o interaktivnim površinama i prostorima, održanoj nedavno u Brajtonu (ACM Interactive Surfaces and Spaces 2017), kao i na simpozijumu za softver i tehnologije korisničkog interfejsa u Kvebeku (ACM Symposium on User Interface Software and Technology). Projekat je finansirala britanska Agencija za istraživanja iz oblasti inženjerstva i fizike EPRSC (Engineering and Physical Sciences Research Council).

Polimer za veštačku kožu

Istraživanjima se priključuju i naučnici iz Lozane (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne – EPFL). Oni su razvili fleksibilan polimer prožet tečnim metalom, koji se može koristiti za stvaranje elastičnih elektronskih kola. Njegova potencijalna primena je u dizajnu i industriji nosivih tehnologija, za medicinske aplikacije u privremenim senzorima kože i, kao najatraktivnije, za senzitivnu veštačku kožu u robotskoj industriji.

U osnovi materijala je polimer, koji je sam po sebi fleksibilan. Radi realizacije elektronskih kola, preko polimera je nanet tanak film tečnog metala (legura zlata i galijuma). Istezanjem, ovaj materijal postaje do četiri puta duži, a postupak se može ponoviti bez opasnosti po integritet materijala ili oštećenja elektronskih kola. Legura na sobnoj temperaturi zadržava tečno stanje, tako da i dalje provodi struju iako se polimer isteže. Potencijali primene su ogromni.

Nadežda Veljković

(Objavljeno u PC#251)

Facebook komentari: