В будущем, например, гибкая биоэлектронная искусственная сетчатка, имплантируемая в глазное яблоко человека, могла бы помочь восстановить зрение, или умные контактные линзы могли бы постоянно определять уровень глюкозы в организме.

"С помощью нашей мощной имитационной модели мы теперь можем немедленно предсказать соответствие требованиям, что значительно ускоряет процесс проектирования гибкой электроники", - говорит Ин Ли, адъюнкт-профессор машиностроения в Калифорнийском университете в Мэдисоне, чья исследовательская группа разработала вычислительные модели. "Результаты моделирования дают очень четкие рекомендации экспериментаторам, которые теперь могут определить оптимальную конструкцию без необходимости проводить множество чрезвычайно трудоемких экспериментов".

Исследователи подробно описали свою работу в статье, опубликованной 19 апреля 2023 года в журнале Наука развивается.

Чтобы работать должным образом, биоэлектронные устройства должны находиться в очень тесном контакте с живой тканью и избегать изгибов или складок. Однако исследователи изо всех сил пытались заставить гибкую электронику полностью соответствовать так называемым "нераскрываемым поверхностям" - поверхностям, таким как сферы, которые нельзя сплющить, не сломав или не смяв складки, - которые находятся по всему телу человека.

В этом исследовании исследовательская группа использовала комбинацию экспериментальных, аналитических и численных подходов для систематического изучения того, как круглые полимерные листы (которые имитируют механические свойства гибкой электроники), а также частично разрезанные круглые листы прилегают к сферическим поверхностям. Анализ этих результатов позволил исследователям вывести готовую к использованию формулу, которая раскрывает физику, лежащую в основе, и предсказывает совместимость гибкой электроники.

"Все результаты наших трех различных методов указывают на одну и ту же физику, что очень интересно", - говорит Наньшу Лу, профессор кафедры аэрокосмической инженерии и инженерной механики Техасского университета в Остине, который руководил экспериментальным исследованием. "Мы сформулировали очень простое математическое уравнение, которым можно руководствоваться при проектировании гибкой электроники для обеспечения максимальной совместимости, и это должно оказать значительное влияние в данной области".

Кроме того, исследователи продемонстрировали простой и элегантный метод, позволяющий значительно повысить способность гибких листов прилегать к сферическим поверхностям. Вдохновленные японским искусством киригами, в котором бумага разрезается и складывается, исследователи сделали простейшие из возможных радиальных разрезов на круглом листе, улучшив его конформность с 40% до более чем 90%.

Ли говорит, что это достижение будет стимулировать инновации в этой области, позволяя многим другим исследователям разрабатывать улучшенную гибкую электронику.

"Это первая работа, которая дает полную картину для понимания сложного процесса приспособления гибкой электроники к этим сложным поверхностям", - говорит Ли. "Этот прогресс проложит путь для всех будущих исследований в области разработки биоэлектроники, которая может лучше соответствовать человеческому организму".