Прикосновение пальцами приводит в действие устройство, которое работает даже после складывания или брызг воды.
Смартфоны, планшеты, фитнес-трекеры, наушники. Большинство электронных устройств, которые мы используем сегодня, сделаны из жесткого металла, пластика и стекла. Но электроника не должна быть такой, - говорит Марина Сала де Медейрос.
Рассмотрим новую электронную клавиатуру ее команды. В нем нет батареек. Прикосновение пользователя дает ему всю необходимую мощность для работы.
«Любая электроника, которая у вас есть - только подумайте, сможете ли вы сделать ее из бумаги», - говорит она. Бумага дешевая и в изобилии. Она также гибкая и легкая.
Сала де Медейрос - инженер из Университета Пердью в Уэст-Лафайет, штат Индиана. Она и ее коллеги нашли способ превратить обычный лист бумаги в простую электронную клавиатуру. Многие команды по всему миру работают над бумажной электроникой. Но это новое устройство является первым самоуправляемым, а также отталкивающим воду и пыль.
Исследователи описали это новое изобретение в декабрьском выпуске Nano Energy за 2020 год.
Ни один момент не вдохновил ее на бумажную клавиатуру, говорит Сала де Медейрос. Вместо этого она сосредоточилась на устройствах, над которыми работали другие инженеры.
Затем она спросила себя: «Какие есть недочёты? Что я могу преодолеть»?
С гибкой электроникой была проблема, её высокая стоимость. Поэтому она решила работать с недорогими материалами. Так будет легче в конечном итоге превратить ее идею в то, что может себе позволить большинство людей.
Она вспоминает, что ей также хотелось чего-то, что на ощупь напоминало обычную бумагу, но не намокло или испачкалось. Оно также должно «поместиться в вашем кармане», - говорит она.
Тефлон - это химическое покрытие, которое предотвращает прилипание пищи к кастрюлям и сковородкам. Подобные составы также могут сделать бумагу водонепроницаемой. Поэтому она начала тестировать некоторые из этих так называемых перфторированных (Pur-FLOOR-ih-nay-tid) химикатов.
Странно, но тот, который должен был работать лучше всех, не работал вообще. Когда она обрызгивала им бумагу, вода все равно пропиталась. Что пошло не так?
После некоторых исследований Сала де Медейрос выяснил, что это химическое вещество вступает в реакцию с воздухом.
«Как только я открыла флакон, я уничтожила химическое вещество», - поняла она.
Ей пришлось купить больше химиката и специальное оборудование, которое позволило бы ей использовать его, не создавая препятствий для неприятного воздуха. Сейчас химические работы идут по плану. После распыления бумага все еще ощущается как бумага. Но вода не просачивается, а скапливается на его поверхности.
Успех!
Этот обычный на вид лист бумаги на самом деле представляет собой электронную клавиатуру. Очень тонкие слои материала, напечатанные на обратной стороне бумаги, обнаруживают, когда нажимают номер, и генерируют достаточно энергии, чтобы послать сигнал на ближайший компьютер.
Питание на кончиках ваших пальцев
Следующим шагом было добавление электронной схемы. Команда поместила трафарет в форме контура на обратную сторону бумаги. Затем напыляли на несколько слоев материалов. Два слоя содержали крошечные частицы никеля. Они действуют как провода, по которым электричество проходит по цепи. Последний слой - это еще одно покрытие из химического вещества, похожего на тефлон. Наконец, команда перевернула лист и напечатала цифровую клавиатуру на другой стороне. Они также добавили крошечный чип Bluetooth. Это позволило их бумажному устройству взаимодействовать с компьютером.
Схема нуждается в источнике электричества. Это происходит от прикосновения пальца. «Когда вы печатаете, мы можем использовать энергию», - говорит Сала де Медейрос.
Такая трибоэлектрическая (Try-boh-ee-LEK-trik) энергия возникает в результате трения двух предметов, соприкасающихся друг с другом. (Вы можете генерировать статическое электричество такого типа самостоятельно. Просто пройдитесь по пушистому коврику в носках. Вероятно, у вас накопится достаточно электрического заряда, чтобы почувствовать удар, когда вы позже коснетесь дверной ручки или другого человека).
В новой клавиатуре давление прикосновения пальца трет друг о друга слои материала, распыленного на бумагу. Это генерирует небольшое количество энергии, обычно около 20 вольт. Это посылает электричество по печатным проводам к чипу Bluetooth. Затем чип подает сигнал компьютеру, сообщая ему, какой номер нажал человек. Это число теперь появляется на мониторе компьютера.
По словам Маноса М. Тенцериса, напряжение, которое устройство генерирует от прикосновения пальца, невелико.
Инженер-электрик Технологического института Джорджии в Атланте, он не принимал участия в исследовании. «Для простых конструкций, таких как клавиатура, - замечает он, - этого более чем достаточно». Но для более энергоемкого устройства, такого как проигрыватель фильмов, этого было бы мало.
Чтобы сделать этот регулятор громкости из бумаги, Сала де Медейрос должна была придумать, как генерировать энергию и передавать сигнал скользящими пальцами вместо того, чтобы постукивать пальцами. (На бумажный контроллер наложена синяя звуковая панель).
Мир Гарри Поттера
Фактически, многие полезные устройства не требуют большого количества энергии. Команда Сала де Медейроса также напечатала контроллер для музыкального плеера. Нажатие стрелок позволяет переключаться между песнями. Проведите пальцем по напечатанной полосе, чтобы увеличить или уменьшить громкость. Музыка играет с компьютера, а не с бумаги.
В ближайшем будущем такая бумажная электроника наиболее пригодится в качестве датчиков. Например, простой датчик, напечатанный на деньгах, может помочь предотвратить подделку. Датчики, напечатанные на упаковках с едой или лекарствами, могут определять, становится ли продукт слишком горячим или слишком холодным, и его использование становится небезопасным.
Однако в конечном итоге этот тип инноваций может привести к «бумаге, которая будет интерактивной, как в Гарри Поттере», - говорит Це Нга Нг. Она инженер Калифорнийского университета в Сан-Диего, которая не принимала участия в новом исследовании. (В книгах о Гарри Поттере картинки в газетах или фотографии, висящие на стене, двигаются и разговаривают.) Когда-нибудь люди даже смогут распечатать свои собственные бумажные планшеты или музыкальные плееры.