Electrónica elástica

La piel está compuesta de fibras de colágeno, queratina y elastina , que le confieren una gran resistencia mecánica, un módulo de elasticidad bajo, resistencia al desgarro y suavidad. La piel puede considerarse como una bicapa formada por la epidermis y la dermis . La epidermis tiene un módulo de elasticidad de entre 140 y 600 kPa y un espesor de entre 0,05 y 1,5  mm. La dermis tiene un módulo de elasticidad de entre 2 y 80 kPa y un espesor de entre 0,3 y 3  mm. ^{[ 5 ]} Esta bicapa cutánea presenta una respuesta elástica lineal para deformaciones inferiores al 15 % y una respuesta no lineal para deformaciones mayores. Para lograr adaptabilidad, es preferible que los dispositivos adapten las propiedades mecánicas de la epidermis al diseñar componentes electrónicos elásticos basados ​​en la piel.

Los dispositivos electrónicos convencionales de alto rendimiento están hechos de materiales inorgánicos como el silicio, que es rígido y quebradizo por naturaleza y presenta una biocompatibilidad deficiente debido a la incompatibilidad mecánica entre la piel y el dispositivo, lo que dificulta las aplicaciones de electrónica integrada en la piel. Para resolver este desafío, los investigadores emplearon el método de construcción de electrónica flexible en forma de capas ultrafinas. La resistencia a la flexión de un objeto material (rigidez a la flexión) está relacionada con la tercera potencia del espesor, según la ecuación de Euler-Bernoulli para una viga. ^{[ 6 ]} Esto implica que los objetos con menor espesor pueden doblarse y estirarse más fácilmente. Como resultado, aunque el material tenga un módulo de Young relativamente alto , los dispositivos fabricados en sustratos ultrafinos presentan una disminución en la rigidez a la flexión y permiten doblarse a un pequeño radio de curvatura sin fracturarse. Los dispositivos delgados se han desarrollado como resultado de avances significativos en el campo de la nanotecnología, la fabricación y la manufactura. El enfoque mencionado anteriormente se utilizó para crear dispositivos compuestos por  nanomembranas de silicio (Si) de 100-200 nm de espesor depositadas sobre sustratos poliméricos delgados y flexibles. ^{[ 6 ]}

Además, se pueden utilizar consideraciones de diseño estructural para ajustar la estabilidad mecánica de los dispositivos. La ingeniería de la estructura superficial original nos permite suavizar la rigidez de los componentes electrónicos. El pandeo, la conexión de islas y el concepto Kirigami se han empleado con éxito para lograr que todo el sistema sea elástico. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

El pandeo mecánico puede utilizarse para crear estructuras onduladas en sustratos delgados elastoméricos. Esta característica mejora la elasticidad del dispositivo. El método de pandeo se empleó para crear nanocintas de Si a partir de Si monocristalino sobre un sustrato elastomérico. El estudio demostró que el dispositivo podía soportar una deformación máxima del 10 % al comprimirse y estirarse. ^{[ 9 ]}

En el caso de la interconexión de islas, el material rígido se conecta con puentes flexibles hechos de diferentes geometrías, como estructuras en zigzag, en forma de serpentina, etc., para reducir la rigidez efectiva, ajustar la elasticidad del sistema y deformarse elásticamente bajo tensiones aplicadas en direcciones específicas. Se ha demostrado que las estructuras en forma de serpentina no tienen un efecto significativo en las características eléctricas de la electrónica epidérmica. También se ha demostrado que el entrelazamiento de las interconexiones, que se oponen al movimiento del dispositivo sobre el sustrato, hace que las interconexiones en espiral se estiren y deformen significativamente más que las estructuras en forma de serpentina. ^{[ 7 ]} Los inversores CMOS construidos sobre un sustrato de polidimetilsiloxano (PDMS) que emplean tecnologías de interconexión de islas 3D demostraron una deformación del 140 % al estirarse. ^{[ 9 ]}

Kirigami se basa en el concepto de plegado y corte de membranas bidimensionales. Esto contribuye a un aumento de la resistencia a la tracción del sustrato, así como a su deformación fuera del plano y elasticidad. Estas estructuras bidimensionales pueden transformarse posteriormente en estructuras tridimensionales con topografía, forma y tamaño variables mediante el proceso de pandeo, lo que da lugar a propiedades y aplicaciones interesantes. ^{[ 7 ] [ 9 ]}

Varios dispositivos de almacenamiento de energía elásticos y supercondensadores se fabrican utilizando materiales a base de carbono como nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT). Un estudio de Li et al. mostró un supercondensador elástico (compuesto por una macropelícula de SWCNT deformada y separadores elastoméricos sobre un sustrato elástico de PDMS), que realizaba carga y descarga dinámicas. ^{[ 10 ]} El principal inconveniente de esta tecnología de almacenamiento de energía elástico es la baja capacitancia específica y densidad de energía, aunque esto puede mejorarse potencialmente mediante la incorporación de materiales redox, por ejemplo, el electrodo SWNT/MnO _2. ^{[ 11 ]} Otro enfoque para crear un dispositivo de almacenamiento de energía elástico es el uso de principios de plegado de origami . ^{[ 12 ]} La batería de origami resultante logró una deformabilidad lineal y superficial significativa, gran torsión y flexibilidad.

La electrónica flexible podría integrarse en prendas inteligentes para interactuar sin problemas con el cuerpo humano y detectar enfermedades o recopilar datos de pacientes de forma no invasiva. Por ejemplo, investigadores de la Universidad Nacional de Seúl y MC10 (una empresa de electrónica flexible) han desarrollado un parche capaz de detectar los niveles de glucosa en el sudor y administrar la medicación necesaria a demanda (insulina o metformina). El parche está compuesto de grafeno con partículas de oro y contiene sensores que detectan la temperatura, el pH, la glucosa y la humedad. ^{[ 13 ]} La electrónica flexible también permite a los desarrolladores crear robots blandos para realizar cirugías mínimamente invasivas en hospitales. Especialmente en cirugías cerebrales, donde cada milímetro cuenta, estos robots podrían tener un alcance de acción más preciso que un ser humano.

La electrónica rígida no suele adaptarse bien a los organismos y tejidos biológicos blandos. Dado que la electrónica elástica no está limitada por esto, algunos investigadores intentan implementarla como sensores táctiles. Una forma de lograrlo es crear una matriz de OFET (transistores orgánicos de efecto de campo) conductores que formen una red capaz de detectar cambios locales en la capacitancia, lo que proporciona al usuario información sobre dónde se produjo el contacto. ^{[ 14 ]} Esto podría tener un uso potencial en robótica y aplicaciones de realidad virtual . ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 5 ] [ 8 ] [ 9 ]}