Исследовательская группа под руководством профессоров Стефана Зелеке и Пола Моцки из Саарского университета использует универсальную пленку, не намного толще бытовой пищевой пленки, чтобы придать объектам новые возможности и при этом сэкономить энергию. При использовании в носимых тканях эти пленки могут перемещаться и прижиматься к коже, обеспечивая тактильную обратную связь, которая может улучшить игровой процесс в виртуальной реальности, позволяя игрокам ощущать текстуры, удары и другие физические ощущения. Когда тонкая полимерная пленка встроена в промышленную перчатку, она может реагировать на движение руки и пальцев оператора, что позволяет компьютеру "понимать" конкретные движения рук и жесты. Нанесенная на верхнюю часть плоского стеклянного экрана дисплея, пленка может создавать кратковременное ощущение тактильной кнопки, переключателя или ползунка под пальцем пользователя. Легкие громкоговорители, потребляющие гораздо меньше энергии, чем их обычные аналоги, новые генераторы сигналов и текстиль с шумоподавлением - это лишь некоторые из других прототипов, разрабатываемых экспертами по интеллектуальным системам материалов в Саарландском университете и Центре мехатроники и технологий автоматизации в Саарбрюккене (ZeMA).

Но как они воплощают эти фильмы в жизнь? "Каждая сторона пленки покрыта электропроводящим слоем", - объясняет Пол Моцки, профессор интеллектуальных систем материалов для инновационного производства в Саарландском университете и научный директор/CEO ZeMA. Когда исследователи прикладывают электрическое напряжение к полимерной пленке, эти электропроводящие слои притягиваются друг к другу, сжимая полимер и заставляя его расширяться в стороны, тем самым увеличивая площадь его поверхности. "Изменяя приложенное электрическое поле, мы можем управлять движением пленки, по сути создавая легкий, но высокоэффективный привод", - говорит Пол Моцки. Исследователи способны точно контролировать движение этих пленок с покрытием, известных как диэлектрические эластомеры (DE), и могут заставить их выполнять медленные или быстрые изгибающие движения или вибрировать с желаемой частотой. Или же они могут заставить пленку удерживать фиксированное неподвижное положение, не требуя непрерывной подачи электрической энергии.

Используя эти электроактивные полимерные пленки, исследовательская группа разрабатывает новые приводные системы (актуаторы), которыми можно управлять без необходимости в дополнительных датчиках. "Каждой деформации или изменению положения пленки может быть присвоено точное значение электрической емкости. Данные о емкости могут показать нам, как деформируется пленка, например, при поглаживании или постукивании по ней пальцем. Эти диэлектрические эластомерные пленки обладают самочувствительностью и способны действовать как собственные датчики положения", - объясняет Пол Моцки. Данные измерений также используются для обучения моделей искусственного интеллекта, которые позволяют исследователям запрограммировать движение пленки таким образом, чтобы она изгибалась, сохраняла желаемую форму или колебалась с некоторой требуемой частотой.

Команда в Саарбрюккене сейчас выводит эти приводы на новый уровень и открывает целый ряд новых применений. Пленками нового поколения можно управлять еще точнее, и они могут вибрировать на еще более высоких частотах. Одна из целей команды - заставить эти гибкие пленки колебаться на ультразвуковых частотах. Новый проект TransDES (Транзисторные структуры на основе гибких диэлектрических эластомерных систем), который финансируется Сааром через инвестиционный фонд ERDF ЕС, также направлен на открытие новых возможностей путем разработки эластомерных схем для высоковольтных применений. Печатные платы (ПХД) можно найти внутри большинства электрических устройств. Технологию, управляющую этими устройствами - будь то стационарный микшер или смартфон, - обычно можно найти припаянной к плоским жестким печатным платам. Исследовательская группа в Саарбрюккене стремится разработать легкие, гибкие печатные платы, которые можно будет использовать в будущем в качестве недорогой гибкой альтернативы обычным печатным платам. Гибкие схемы, разрабатываемые в Саарбрюккене, также будут оснащаться встроенными миниатюрными самочувствительными приводами.

Проект TransDES - это сотрудничество между командой Пола Моцки из ZeMA и командой профессора Джона Хеппе из htw saar (Университет прикладных наук). Технология, разрабатываемая в Сааре, уникальна во всем мире и предполагает создание эластомерных пленок с новыми электродными слоями.

До сих пор электропроводящие слои изготавливались путем нанесения порошкообразного аморфного углерода ("сажи") на верхнюю и нижнюю части полимерной пленки методом трафаретной печати. Однако электрическое сопротивление слоя технического углерода составляет около 10 000 Ом, что слишком велико, если пленка должна вибрировать в диапазоне ультразвуковых частот.

Заменив слой сажи ультратонким металлическим покрытием с более высокой проводимостью, исследователи стремятся создать привод DE, который можно включать и выключать со сверхбыстрой скоростью. "Это позволит нам получить от фильма еще более качественное представление", - объясняет докторант Себастьян Грац-Келли. "Даже на очень высоких частотах мы все еще можем контролировать всю поверхность пленки, а не только ее части. Но новое ультратонкое металлическое покрытие также означает, что пленочный привод более энергоэффективен, а потери мощности ниже, отчасти из-за снижения контактного сопротивления между кабелем и пленкой. И мы используем специальную лазерную технологию, которая позволяет нам добиться гораздо меньшего размера структуры внутри покрытия", - объясняет Грац-Келли. "Раньше, когда мы использовали трафаретную печать, расстояние между электродами составляло около одного сантиметра. Теперь расстояние между электродами составляет всего несколько микрометров. И это то, что позволяет нам разрабатывать эластомерные гибкие схемы", - добавляет профессор Моцки.

Проблема заключается в том, что вся пленка должна подвергнуться значительному растяжению, но новое металлическое покрытие препятствует деформации пленки. Вот тут-то и вступает в игру команда Джона Хеппе. Хеппе, профессор физической сенсорной технологии и мехатроники в htw saar, также возглавляет исследовательскую группу в ZeMA. Два университета работают вместе, чтобы воплотить свои выводы в практические промышленные и коммерческие решения. Чтобы сбалансировать свойства твердого металлического проводящего слоя со свойствами гибкой полимерной подложки, команда Хеппе использует специальный процесс нанесения металлического слоя на эластомер. "Мы используем метод нанесения материала, известный как распыление. Проводящий слой, который мы наносим на поверхность эластомера, имеет толщину всего десять нанометров, что более чем в тысячу раз тоньше человеческого волоса", - говорит Марио Церино, ученый-исследователь из команды Джона Хеппе.

"Трюк", который использует команда, заключается в растягивании эластомера перед нанесением ультратонкого металлического слоя. Любой, кто когда-либо приклеивал клейкую ленту к надутому воздушному шару, знает об этом эффекте. Когда вы выпускаете воздух из баллона, полоска скотча сминается. То же самое происходит и с эластомерной пленкой. Когда эластомер расслабляется, металлический слой сжимается, образуя складки. "Когда мы делаем это, мы достигаем сопротивления примерно от 50 до 100 Ом на площади в один квадратный сантиметр, что значительно ниже, чем раньше", - говорит Марио Церино.

В настоящее время исследователи используют пленки с металлическим покрытием для разработки энергоэффективных и экономичных транзисторов на основе силикона. Транзисторы - это электронные компоненты, которые можно использовать для включения и выключения электрических напряжений и сигналов или для их усиления, но в данном случае команда хочет разработать пленочные транзисторы для переключения высоких напряжений. "Снижая электрическое сопротивление, мы можем обеспечить больший ток - точно так же, как кухонный кран пропускает больше воды, чем больше он открыт. Это позволяет нам осуществлять переключение высокого напряжения с чрезвычайно коротким временем цикла, что может быть использовано для управления клапанами, насосами или громкоговорителями", - объясняет Марио Церино. "Мы используем довольно особое свойство этих систем", - объясняет профессор Джон Хеппе. "Если пленка с металлическим покрытием растянется сильнее, чем это было при напылении, в электродном слое появятся трещины, что приведет к значительному увеличению электрического сопротивления. Итак, если мы растянем пленку, появятся трещины. Если мы позволим пленке расслабиться, трещины снова закроются и морщинистая структура вернется. Это позволяет нам переключаться с очень низких сопротивлений на очень высокие, сравнимые с использованием транзистора в качестве электрического переключателя", - объясняет профессор Хеппе.