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Aug 07, 2023

L'électronique courbée se rapproche de la production de masse en s'inspirant des emballages de bonbons

Imaginez une balle de baseball avec un capteur incurvé sur sa peau en cuir qui pourrait indiquer aux lanceurs chaque détail de leur performance. Imaginez une lentille de contact dotée d'une micropuce flexible capable de lire

Imaginez une balle de baseball avec un capteur incurvé sur sa peau en cuir qui pourrait indiquer aux lanceurs chaque détail de leur performance. Imaginez une lentille de contact dotée d'une micropuce flexible capable de lire les niveaux de glucose dans l'œil, afin que les diabétiques n'aient pas à se piquer les doigts.

Ce ne sont là que quelques-unes des applications que les ingénieurs imaginent pour l’électronique courbe et flexible. Mais jusqu’à présent, il n’existait pas de méthode viable de production de masse. Cela pourrait changer, grâce à un article récent dans Science Advances, qui détaille une méthode élégante d’emballage d’électronique traditionnellement bidimensionnelle, produite en série sur des feuilles plates et planes, autour de surfaces courbes.

"C'est comme emballer un bonbon", explique Xue Feng, co-auteur principal, professeur d'ingénierie à l'Université Tsinghua, à Pékin, en Chine. L'emballage est un plan 2D, explique-t-il, mais il peut se déformer pour serrer un bonbon rond.

Aujourd’hui, la plupart des appareils électroniques portables – par exemple les puces de traitement d’une Apple Watch – sont intégrés dans des tranches de silicium plates (voir La technologie portable rencontre l’art du tatouage dans le but de révolutionner les deux). Le corps de la montre est plat. Au début de ces travaux récents, le co-auteur principal Ying Chen, ingénieur électricien à l'Institut de technologie électronique flexible de l'Université Tsinghua du Zhejiang, a tenté de plier et de fléchir des puces de silicium pour envelopper une surface incurvée. « Mais le silicium est fragile, rigide et difficile à déformer », explique-t-elle. "Il est facile de se fracturer."

Chen a commencé à chercher des solutions alternatives et est tombé sur un article de mathématiques datant de 2009. Il présentait des solutions théoriques sur la façon d'envelopper le plus efficacement possible un objet rond dans une feuille plate, en évitant les plis qui gaspilleraient du matériau. Sur la base des équations contenues dans cet article, Chen et Feng ont utilisé la modélisation géométrique pour concevoir la forme la plus efficace pour une feuille 2D qui s'enroulerait facilement autour d'une courbe. Plutôt qu’un rectangle, comme un morceau de papier enroulé autour d’un ballon, ils ont découvert que la forme la plus efficace est similaire à une fleur pressée dont les pétales peuvent se refermer autour d’un objet incurvé. Au lieu du silicium fragile, ils ont utilisé des élastomères extensibles, des matériaux semi-conducteurs et des métaux.

La question suivante était de savoir comment enrouler physiquement les pétales autour d'un objet incurvé, afin qu'ils tombent exactement dans la même position pour des milliers d'objets identiques fabriqués sur une chaîne de production. « L'alignement est important », explique Chen, car il peut en fin de compte influencer la fonction du produit.

Au début, elle courbait doucement les pétales à la main sur des objets ronds, puis retirait un support et utilisait la lumière UV pour durcir les composants électroniques sur la surface incurvée. Pour automatiser le processus, elle et Feng ont conçu une presse douce, dans laquelle la feuille en forme de pétale et l'objet rond sont tous deux placés à l'intérieur d'un tube mince, d'environ un centimètre de diamètre, la largeur d'un tube à essai. Un ballon se gonfle ensuite à l'intérieur du tube, appliquant une pression douce et uniforme sur les pétales, afin qu'ils s'enroulent sur l'objet incurvé.

Les pétales s’enroulent autour de cette sphère beaucoup plus efficacement qu’une feuille rectangulaire. Crédit image : Xingye Chen, Xue Feng, Ying Chen

L’un des principaux défis de la fabrication de capteurs incurvés « est de les appliquer réellement à l’objet qui nous intéresse », explique Tyler Ray, professeur de génie mécanique à l’Université d’Hawaï à Mānoa. Ces auteurs ont mis au point une « méthode intelligente et élégante », dit-il, pour fabriquer des capteurs en utilisant des méthodes 2D traditionnelles, puis les coller sur des objets tridimensionnels. Ray note cependant qu'il existe d'autres moyens d'accomplir cette tâche, par exemple en utilisant des méthodes d'impression 3D, plutôt que l'impression par transfert suggérée ici. Mais la beauté de cette méthode, souligne-t-il, est qu’elle repose sur des techniques de fabrication bien comprises et bien maîtrisées, alors que l’impression 3D serait plus longue et plus coûteuse à l’unité.

L'ingénieur biomédical Philipp Gutruf estime que l'approche évolutive et les lignes directrices de conception fournies par cet article constituent un ajout précieux à la littérature. Il a vu l'approche générale consistant à envelopper des modèles 2D autour d'objets 3D démontrée dans d'autres articles, par exemple en enveloppant le cœur dans un dispositif sans fil pour le contrôle et la surveillance chez la souris. Mais l'approche évolutive ici est nouvelle et les directives de conception pour les formes sphériques pourraient être très utiles, note Gutruf, qui travaille à l'Université de l'Arizona à Tucson. Reste à savoir si ces travaux sont applicables à d’autres formes complexes, comme celles requises pour les dispositifs biomédicaux.