研究者らは、ヒドロゲルと液体金属から小型の伸縮可能なアンテナを作成する新しい方法を開発しました。 このアンテナはウェアラブルでフレキシブルな無線電子デバイスに使用され、電力供給、データ処理、通信のためのデバイスと外部システム間のリンクを提供する可能性があります。
中国の西安交通大学のタオ・チェン氏は、「当社の新しい製造アプローチを使用して、液体金属アンテナの長さを半分に削減できることを実証しました」と述べた。 「これにより、健康監視、人間活動監視、ウェアラブル コンピューティング、その他のアプリケーションに使用されるウェアラブル デバイスの小型化が可能になり、よりコンパクトで快適になる可能性があります。」
ジャーナルに Optics Express、研究者らは、共晶ガリウム - インジウム (室温で液体の金属合金) を、単一ステップのフェムト秒レーザー アブレーション プロセスで作成されたマイクロチャネルに注入することを含む新しい技術について説明しています。 彼らはこの方法を使用して、24 mm × 0.6 mm × 0.2 mm のヒドロゲル スラブに埋め込まれた 70 mm × 12 mm × 7 mm のアンテナを作成しました。
「伸縮性と柔軟性のあるアンテナは、たとえば、体温、血圧、血中酸素を監視するウェアラブル医療機器に役立つ可能性があります」とチェン氏は述べています。 「個別のモバイル デバイスは、フレキシブル アンテナを介してより大きな制御ユニットに接続し、データやその他の通信を転送し、無線ボディエリア ネットワークを形成できます。 フレキシブルアンテナの共振周波数は加えられたひずみによって変化するため、ウェアラブルモーションセンサーとしても使用できる可能性があります。」
より柔軟な金属
この研究は以前の研究から発展し、キング・アブドラ科学大学の Jian Hu 氏と協力して実施されました。 テクノロジー サウジアラビアでは、研究者らはフェムト秒レーザーアブレーションを使用してひずみ感知のためにヒドロゲルに埋め込まれた3D銀構造を作製する方法を開発した（Jian Hu教授と協力）。
「銀の構造は非常に壊れやすいため、伸縮性に乏しかったです」とチェン氏は述べた。 「固体金属構造の代わりに液体金属を使用すると、金属がヒドロゲルマイクロチャネルを充填しやすくなるだけでなく、伸縮性も高まります。」
最も単純で最も広く使用されているタイプのアンテナである液体金属ダイポール アンテナを作成するために、研究者らはフェムト秒レーザーを走査して、表面を損傷することなくヒドロゲル内に一対の対称マイクロチャネルを形成しました。 レーザーの短いパルス持続時間は高いピークパワーを生成し、多光子吸収などの非線形光学効果による透明材料のアブレーションを可能にし、レーザーの正確な焦点でのみアブレーションが行われることを保証します。
次に、液体金属をマイクロチャネルに注入し、アンテナとして使用できるヒドロゲルが埋め込まれたワイヤーを形成しました。
彼らが基板としてヒドロゲルを選択したのは、ポリジメチルシロキサン (PDMS) やその他の従来のポリマー基板と比べて誘電特性が優れており、アンテナの長さを半分に短縮できるためです。 ヒドロゲルベースのデバイスは、元の長さのほぼ XNUMX 倍まで伸ばすこともできます。
ただし、ヒドロゲルベースの液体金属デバイスは通常、レーザーを使用して上面に溝を彫刻し、溝を液体金属で満たしてから、パターン化された基板と彫刻されていない基板を接合して製造されます。
「私たちの方法を使用すると、層を接着する必要がなく、単一の製造ステップでマイクロチャネルをヒドロゲルに埋め込むことができます」とChen氏は述べています。 「さらに、フェムト秒レーザーを3Dスキャンすることで、3Dマイクロチャネルや液体金属構造を簡単に形成できるため、性能や機能を強化するための複雑な構造を備えた2Dまたは3Dフレキシブルアンテナを製造することが可能になります。」
伸縮可能なアンテナを作る
新しい製造アプローチを実証するために、研究者らは伸縮可能なダイポール アンテナを準備し、さまざまな周波数での反射係数を測定しました。 これらの実験は、純粋なヒドロゲルがほとんどすべての入射電磁波エネルギーを反射するのに対し、ヒドロゲルに埋め込まれた液体金属ダイポールアンテナは、入射電磁波の大部分を効果的に自由空間に放射し、共振周波数での反射は 10% 未満であることを示しました。
また、加えられるひずみを 0 ～ 48% まで変化させることで、アンテナの共振周波数を 770.3 MHz ～ 927.0 MHz に調整できることも示しました。
研究者らは現在、柔軟な伸縮性アンテナの強度と液体金属漏れの閾値ひずみを高めるために、レーザー誘起マイクロチャネルで使用されるシーリング技術を改良することに取り組んでいる。 彼らはまた、この新しいアプローチを、複雑な 2D または 3D 構造を備えた完全に柔軟な多次元ひずみおよび圧力センサーの開発にどのように適用できるかを調査する予定です。