Докторский исследователь Амит Баруа и скелет листьев дерева Бодхи. Кредит: Тимо Лаукканен
Используя листовые скелеты в качестве шаблонов, исследователи использовали внутренние иерархические фрактальные структуры природы для улучшения производительности гибких электронных устройств. Носимые датчики и электронные скины являются примерами гибкой электроники.
Исследовательская группа в Университете Турку, Финляндия, разработала инновационный подход к воспроизведению микроструктур биоинтизированных, обнаруженных в скелетах растений листьев, что устраняет необходимость в обычных технологиях чистой комнаты. Работа опубликована в журнале NPJ Гибкая электроникаПолем
Фрактальные паттерны представляют собой самоотвракающие структуры, в которых одна и та же форма повторяется в все более меньших масштабах. Они могут быть созданы математически, а также встречаются в природе. Например, ветви деревьев, листовые вены, сосудистые сети и многие цветочные узоры, такие как цветная капуста, следуют фрактальной структуре.
Исследователи создали поверхности, которые имитируют фрактальные закономерности, используя скелеты листьев сушеных деревьев. Различные производственные материалы распыляли на листовые скелеты, после чего новые поверхности были отделены от скелета листьев, и исследователи сравнивали структурные свойства и долговечность поверхностей, изготовленных из разных материалов.
Эта биомиметическая поверхность с точностью репликации более 90% очень совместима с гибкими электронными применениями, предлагая повышенную растяжимость, конформную прикрепление к коже и превосходную воздухопроницаемость.
В верхнем ряду изображения крупным планом структуры листовой вены растения Ficus religoisa, а в нижнем ряду изображения крупным планом биомиметической поверхности, имитирующие микроструктуры листа (изготовленные из полимера Nylon 6). Кредит: NPJ Гибкая электроника (2025). Doi: 10.1038/s41528-025-00381-z
Преимущества поверхностей, основанных на фрактальных паттернах, заключаются в том, что их самооценка иерархических структур максимизируют площадь поверхности при сохранении механической гибкости поверхности. Эти уникальные закономерности усиливают растяжимость поверхности, а в электронных материалах структура улучшает электрическую проводимость, энергоэффективность, рассеяние энергии и перенос заряда.
Эти свойства обеспечивают долговечность и высокую производительность при механическом напряжении, что делает поверхности идеальными для гибкой электроники следующего поколения, такой как носимые датчики, прозрачные электроды и биоэлектронная кожа.
По сравнению с искусственными фракталами, такими как киригами или оригами, фракталы листовых скелетов предлагают естественные оптимизированные, иерархические и масштабируемые структуры. Они обеспечивают превосходную гибкость, воздухопроницаемость и прозрачность, сохраняя при этом высокое отношение поверхности к объему к объему.
В то время как листовые скелеты обеспечивают отличные фрактальные структуры, они не являются по своей природе растяжимыми, долговечными или масштабируемыми из -за их фиксированных размеров и разлагаемости. Реплицируя эти паттерны, используя растягиваемые и прочные полимеры, используя листовые скелеты в качестве шаблонов, исследователи смогли создавать поверхности с повышенной гибкостью и долговечностью, что также осуществилось масштабное производство.
«Нам удалось объединить эффективные конструкции природы с современными материалами, которые открывают новые возможности для гибкой и носимой электроники», — говорит докторский исследователь Амит Баруа из Университета Турку.
Датчик давления, изготовленный из поверхностей, имитирующих фрактальную структуру листа, был напрямую установлен на кончите пальца роботизированной руки с использованием ленты инкапсуляции. Эта электронная кожа позволила роботизированному пальцам ощутить прикосновение, поскольку датчик давления реагирует на контакт. Эта технология также может быть использована в обнаружении движения протезной конечности и обнаружении движения человека. Кредит: Тимо Лаукканен снижает воздействие на окружающую среду
Чтобы сделать эти биомиметические поверхности проводящими, исследователи применили простой слой металлических нанопроволок, достигнув поверхностного удельного сопротивления приблизительно 20 Ом. Эти проводящие поверхности были затем интегрированы в такие приложения, как тактильное зондирование, нагрев и электронные кожные устройства.
Эта новая биомиметическая техника более устойчива, чем традиционные методы на основе чистых комнат, поскольку он требует меньшей энергии и может быть выполнена за пределами контролируемой среды. Процесс также может использовать устойчивые полимеры, что еще больше снижает воздействие на окружающую среду.
Для крупномасштабного производства модели компьютерного дизайна (CAD) и моделирование метода конечных элементов (FEM) могут использоваться для воспроизведения биотических конструкций с основными коллекционерами. Кроме того, серебряные нанопроволоки могут быть заменены более устойчивыми проводящими материалами в зависимости от требований устройства.
«Для разработки сложных микроструктур с высокой точностью, обычно требуется изготовление чистой комнаты. Этот новый биомиметический подход может обойти необходимость в технологиях чистой комнаты при изготовлении сложных архитектур, тем самым способствуя снижению выбросов углерода», — говорит Баруа.
Больше информации:
Амит Баруа и др., Биомиметические отдельно стоящие микрофракталы для гибкой электроники, NPJ Гибкая электроника (2025). Doi: 10.1038/s41528-025-00381-z
Информация журнала:
NPJ Гибкая электроника, предоставленная Университетом Турку
Цитирование: Использование фракталов природы для гибкой электроники: метод биомиметического изготовления использует листовые скелеты в качестве шаблонов (2025, 24 марта), извлеченные 24 марта 2025 г. из этого документа подлежат авторским праву. Помимо каких -либо справедливых сделок с целью частного исследования или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только для информационных целей.
