Эластичный светодиод превратили в нательный индикатор пульса

Китайские и американские ученые научились создавать эластичные светодиоды заданной формы, которые можно растягивать без повреждения. Это позволяет создавать носимые прямо на коже индикаторы, например, включающиеся и выключающиеся в такт с пульсом человека, рассказывают ученые в Nature.

Под термином «носимая электроника» обычно подразумевают гаджеты, которые человек может надевать, например, фитнес-браслеты и умная одежда. Ученые также разрабатывают носимую электронику другого типа, которая наносится непосредственно на кожу. Это дает более качественный контакт для датчиков и другие преимущества, но вместе с этим предъявляет серьезные требования к материалам устройств. Прежде всего носимая электроника должна выдерживать частые сильные деформации при движении тела, не открепляясь от него и не разрушаясь. Эту проблему решают разными способами. Идеальное решение — разработать гибкие и эластичные варианты всех электронных компонентов. В этом направлении есть прогресс и появляется все больше прототипов гибкой электроники, но чаще приходится использовать компромиссный подход, при котором на кожу наносится эластичная подложка с растягиваемыми проводами, а компоненты, в том числе дисплей (если он требуется в проекте), остаются жесткими.

Чжэньань Бао (Zhenan Bao) из Стэнфордского университета и ее коллеги из США и Китая разработали метод создания эластичных светящихся светодиодов-индикаторов, которые можно использовать в нательной электронике. Индикатор представляет собой фрагмент полимера, излучающий свет под действием тока. Он состоит из восьми слоев. В центре располагается слой из смешанного светоизлучающего полимера и эластичной полиуретановой матрицы. В основном ученые использовали полимерные волокна SuperYellow, излучающие желтый свет, но в отдельных прототипах заменяли его или добавляли полимеры, излучающие другие цвета. По разным сторонам от светоизлучающего слоя располагаются катод и анод, состоящие из трех и двух слоев полимеров с электронной и дырочной проводимостью соответственно. А над электропроводящими слоями с двух сторон располагается слой изолирующего электрода с низкой пропускающей способностью для воды и воздуха.

Ученые создали несколько прототипов индикаторов с такой конструкций. Один из них представляет собой индикатор пульса. Он состоит из светящейся области, наклеенной на запястье, и питающей схемы, тоже наклеенной на кожу руки чуть выше. Для питания светоизлучающего полимера ученые использовали беспроводную передачу электричества с помощью NFC-антенны. Авторы использовали отдельный датчик пульса и посылали сигналы с него на индикатор, который светился в моменты сердцебиения.

Механические испытания прототипов показали, что их можно растягивать в два раза, при этом они продолжают оставаться равномерными и излучать яркий свет, причем при небольших деформациях свечение даже усиливается. По-видимому, это происходит из-за улучшения контакта между слоями и светоизлучающими волокнами. После 100 растяжений на 40 процентов индикатор сохранил 85 процентов от изначальной яркости.

Одна из проблем растягиваемых дисплеев и других светящихся устройств заключается в том, что при этом их пропорции искажаются. Недавно корейские ученые придумали решение этой проблемы: они предложили использовать вместо обычных полимерных подложек метаматериал-ауксетик, который при растяжении вдоль растягивается и в ширину, что позволяет сохранять пропорции неизменными.

Григорий Копиев