Elastyczne wyświetlacze, które mogą zmieniać kolor, przekazywać informacje, a nawet wysyłać zawoalowane wiadomości za pośrednictwem promieniowania podczerwonego, są teraz możliwe dzięki nowym badaniom przeprowadzonym przez University of Illinois Urbana-Champaign. Inżynierowie zainspirowani zmieniającymi się skórami zwierząt, takich jak kameleony i ośmiornice, opracowali sterowane kapilarnie roboty trzepoczące płetwami, aby stworzyć przełączalne, wielopikselowe wyświetlacze optyczne i podczerwone, które są 1000 razy bardziej energooszczędne niż urządzenia emitujące światło.
Nowe badanie prowadzone przez profesora nauk mechanicznych i inżynierii Sameh Tawfick pokazuje, w jaki sposób giętkie żebra i płyny mogą jednocześnie przełączać się między prostymi lub wygiętymi oraz gorącymi i zimnymi, kontrolując objętość i temperaturę maleńkich pikseli wypełnionych płynem. Zmienianie objętości płynów w pikselach może zmieniać kierunki, w których obracają się klapki – podobnie jak w staromodnych zegarach z klapką – a zmiana temperatury pozwala pikselom komunikować się za pomocą energii podczerwonej.
Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Science Advances.
Zainteresowanie Tawficka interakcją sił sprężystych i kapilarnych – lub elasto-kapilarnością – zaczęło się jako student, obejmowało podstawową naukę o zwilżaniu włosów i doprowadziło do jego badań nad miękkimi wyświetlaczami robotów w Illinois.
„Codziennym przykładem elasto-kapilarności jest to, co dzieje się z naszymi włosami, kiedy bierzemy prysznic” – powiedział Tawfick. „Kiedy nasze włosy stają się mokre, sklejają się i wyginają lub zwijają, gdy siły kapilarne są przykładane i uwalniane, gdy wysychają”.
W laboratorium zespół stworzył małe pudełka lub piksele o wielkości kilku milimetrów, które zawierają płetwy wykonane z elastycznego polimeru, który wygina się, gdy piksele są wypełnione płynem i osuszane za pomocą systemu małych pomp. Piksele mogą mieć pojedyncze lub wiele płetw i są ułożone w tablice, które tworzą wyświetlacz do przekazywania informacji, powiedział Tawfick.
„Nie ograniczamy się również do sześciennych pudełek z pikselami” – powiedział Tawfick. „Płetwy można ustawić w różnych kierunkach, aby tworzyć różne obrazy, nawet wzdłuż zakrzywionych powierzchni. Sterowanie jest wystarczająco precyzyjne, aby uzyskać złożone ruchy, takie jak symulacja otwierania się kwiatu”.
Badanie donosi, że kolejną cechą nowych wyświetlaczy jest możliwość wysyłania dwóch jednoczesnych sygnałów – jednego, który można zobaczyć ludzkim okiem, i drugiego, który można zobaczyć tylko za pomocą kamery na podczerwień.
„Ponieważ możemy kontrolować temperaturę tych pojedynczych kropelek, możemy wyświetlać wiadomości, które można zobaczyć tylko za pomocą urządzenia na podczerwień”, powiedział Tawfick, „Możemy też wysłać dwie różne wiadomości w tym samym czasie”.
Jednak nowe wyświetlacze mają kilka ograniczeń, powiedział Tawfick.
Podczas konstruowania nowych urządzeń zespół odkrył, że maleńkie pompki potrzebne do kontrolowania płynów pikselowych nie były dostępne na rynku, a całe urządzenie jest wrażliwe na grawitację – co oznacza, że działa tylko w pozycji poziomej.
„Kiedy obrócimy wyświetlacz o 90 stopni, wydajność znacznie się pogorszy, co jest szkodliwe dla aplikacji takich jak billboardy i inne znaki przeznaczone dla publiczności” – powiedział Tawfick. „Dobrą wiadomością jest to, że wiemy, że kiedy kropelki cieczy stają się wystarczająco małe, stają się niewrażliwe na grawitację, tak jak wtedy, gdy kropla deszczu przykleja się do okna i nie spada. Odkryliśmy, że jeśli użyjemy kropelek cieczy, które są pięć razy mniejsze, grawitacja nie będzie już problemem”.
Zespół powiedział, że ponieważ nauka stojąca za wpływem grawitacji na kropelki jest dobrze poznana, będzie stanowić punkt centralny dla ich kolejnego zastosowania powstającej technologii.
Tawfick powiedział, że jest bardzo podekscytowany widząc, dokąd zmierza ta technologia, ponieważ wnosi świeży pomysł na dużą przestrzeń rynkową dużych odblaskowych wyświetlaczy. „Opracowaliśmy zupełnie nowy rodzaj wyświetlaczy, które wymagają minimalnej energii, są skalowalne, a nawet wystarczająco elastyczne, aby można je było umieścić na zakrzywionych powierzchniach”.
Naukowcy z Illinois, Jonghyun Ha, Yun Seong Kim, Chengzhang Li, Jonghyun Hwang, Sze Chai Leung i Ryan Siu, również brali udział w tych badaniach.
Badania te wspierało Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych i Narodowa Fundacja Nauki.