Стоит ли создавать в России новые технологии? Наш опыт разработки тянущейся электроники GFlex

Меня зовут Илья, я основатель компании iFlexible. Ниже будет история о моем проекте GFlex тянущейся электроники: от создания технологии в России до ее реализации.

Введение. Для чего вообще нужна тянущаяся электроника?

Начнем с вопроса для чего это? В чем изначально смысл создания тянущихся электронных плат? Зачем нужно, чтобы они растягивались или произвольно сгибались?

- современные провода и шлейфы сильно ограничены в своих возможностях на изгибы и перегибы. Для них, постоянные изгибы со временем приводят к "поломке". В этом плане их жизненный цикл очень ограничен.

- другая тема, это тензорные датчики. Они используются как в промышленности, так и в потребительских устройствах. Например, для сенсорных кнопок и панелей, для определения вибраций, деформации металлов, в устройствах видео-захвата, перчатках для VR и управления роботами и т.д. Существующие на сегодня решения, очень ограничены в своих возможностях, сроке жизни и часто в условиях эксплуатации.

Моя любимая тема, это провода кабелей телефонов. Постоянно дохнут и перегибаются. Мне приходится держать сразу по 5 штук, чтобы не вышло так, что в какой-то момент под рукой нет рабочего кабеля.

Что дает в данном случае технология:

- увеличение срока жизни

- изгибы, которые не дают FPC шлейфы и провода

- удешевление, за счет того, что можно убрать лишние компоненты.

- уменьшение размера, электронику можно разместить сразу на подложке и сделать одну длинную плату со всей электроникой, сенсорами и т.д.

- новые возможности, так как можно, например, сделать электронную кожу, где электронные жилки будут играть роль сенсоров надавливания и таким образом сразу напечатать чувствительную кожу на всю руку

Одно из применений электронной кожи (лично из запросов ко мне), для выявления (или лечения, сильно не вникал) онкологических заболеваний.

Другие примеры применения искусственной кожи:

https://tech.fb.com/ar-vr/2021/11/inside-reality-labs-meet-the-team-thats-bringing-touch-to-the-digital-world/

Цитата “Наконец, группа встроила различные электронные компоненты в лист гидрогеля, чтобы создать «умную раневую повязку», включающую регулярно расположенные датчики температуры и крошечные резервуары для лекарств. Исследователи также создали пути прохождения лекарств через гидрогель, либо вставив узорчатые трубки, либо просверлив крошечные отверстия в матрице. Они наложили повязку на различные участки тела и обнаружили, что даже при сильном растяжении повязка продолжала контролировать температуру кожи и выделять лекарства в соответствии с показаниями датчика. Юк говорит, что немедленное применение технологии может заключаться в растягивающемся лечении ожогов или других кожных заболеваний.”

Одним из примеров является обратная связь на химическом уровне. В данном случае, человек получается различные хим. вещества, в зависимости от VR сценария (на скриншоте это лидокаин). Главное принцип, будь то доставка лекарств для больных диабетом, или введение лидокаина солдату на поле боя.

- текстильная промышленность: многослойные плата/шлейфы, которые растягиваются и изгибаются на одежде, обеспечивая сбор информации с различных датчиков раскиданных по одежде. А так же выступающие в роли различных сенсоров на срабатывание.

Реализация GFlex. Путь от каменного века до современного человека.

У меня есть проект Gepse очков дополненной реальности, над которым я работаю с 2013 года. В 2015 года я столкнулся с проблемой. Я хотел, чтобы экран выезжал и уезжал, когда он был не нужен, чтобы не мешаться. Проблема была в том, что я хотел минимализм.

На тот момент мы перепробовали разные решения, в итоге в качестве механики остановились на пьезо двигателе. Но это была лишь одна из проблем. Вторая заключалась в том, что делать со шлейфом при выдвижении? Пробовали сворачивать и скользящие контакты, но это не подходило. Я тогда на время оставил идею выдвижения, так как технически не знал, как решить эту проблему.

И вот 4 года назад, ко мне обратился мой знакомый Илья Котов, который делает проект Tau Tracker (это перчатка для VR). Он прислал мне видео (https://youtu.be/91e8Bpi5ZrM?t=719), на котором растягивалась электронная плата, нанесенная на гибкую подложку. Это было видео из лаборатории в Китае, где в основе электронной схемы лежал сплав галлия. Он спросил меня, не хочу ли я попробовать сделать такое же. Я не задумываясь ответил, что готов попробовать. До этого я уже встречал и интересовался подобным. Так как это позволило бы мне решить проблему с тянущимся шлейфом для Gepse. Почему обратился ко мне? Не знаю, я обычно всегда готов экспериментировать и исследовать.

Засев за изучение темы, я надолго углубился в исследования, патенты в этом направлении. На основе изученного я выделил несколько способов, чтобы воспроизвести результат, описанный в них. Купил необходимые инструменты, нашел сплавы галлия и начал экспериментировать.

В начале, я ручным методом опробовал все методики, описанные в патентах и исследованиях. Выявил у каждой из них сильные и слабые стороны. В итоге, через полгода я ручным методом собрал первый образец и принес его знакомому.

Мы тогда посмотрели на это и поняли, что результат полученный ручным методом использовать нельзя. Тогда была популярна идея 3д печати сплавом галлия. После бума 3д принтеров все пытались использовать его во всех возможных областях. Но создание оборудование для точной печати галлием, с учетом, что он требует охлаждения на подложке требовало денег. Ни у меня, ни у Котова лишних денег не было. Мы предложили другим ребятам подать заявку на грант и предоставить им результаты своих работ, чтобы они сделали оборудование для печати сплавом. Мы бы в свою очередь получили возможность, для покупки продукта для своих целей. Но ребята отказались, и я вернулся к своим проектам.

Параллельно мы попробовали связаться с лабораториями, которые делали прототипы, указанные на видео. Но все оказалось печально. Это были штучные изделия, процесс производства такого изделия занимал уйму времени. Да и вообще это лабораторные образцы.

В течении года в периодически возвращался к этой теме. Пробовал, экспериментировал. Изучил все исследования. Как только появлялись новые идея, то снова пробовал. И вот через год, у меня был собран черновой вариант, который был уже гораздо лучше. Но главным результатом было то, что я придумал как полностью автоматизировать весь процесс производства таких электронных плат.

Я снова привез образец знакомому. Мы оба согласились, что это гораздо лучше, чем было. Попробовали отнести его в разные компании в Сколково, чтобы по возможности привлечь финансирование на разработку оборудования по производству. Но в итоге ничего не вышло.

Параллельно я подавал заявку на свой проект Gepse на грант Бортника. Но перед этим решил потренироваться в выступлении и подал две заявки. Проект тянущейся электроники я подавал для тренировки выступления и дальше рассчитывал получить грант на Gepse. В итоге вышло так, что мне одобрили грант на тянущуюся электронику.

Дальше начался процесс разработки. Изначально я планировал сделать печать на основе 3д принтера Питерской компании Тринити, были устные договоренности. Это решение предложил их инженер, с которым мы познакомились на форуме по робототехнике робофорум. Но когда дело дошло до исполнения, то они отказались так как бюджет был маленьким, и оказалось, что 3д принтеры — это их непрофильная разработка.

Дальше попытки найти исполнителя реализации для модулей. Я пообщался с кучей компаний и инженеров. У меня была четко отработана технология, но все предлагали какие-то свои решения, убеждали принять их. Дело в том, что каждый этап технологии я уже отработал вручную, и не хотел сходить с него, так как это ухудшало результат.

В итоге меня сами нашли ребята из Новосибирска из ОКБ и согласились собрать установку (бюджет был немного выше, но я понимал, что только на деньги гранта такую сложную вещь сделать не выйдет и доложил свои). Мной было предложено два решения. Одно состояло из двух модулей и другое из одного модуля.

Прилетел в Новосибирск, подписали договор. Побухав после договора, мы обсудили все тонкости и детали и в итоге остановились на объединенном варианте обоих решений. Планировалось, что через 2,5-3 месяца я получу установку. Но когда все шло по плану? Забегая вперед скажу, что на ее разработку ушло 1,5-2года.

Проблемы появлялись на каждом шагу. Начиная от задержек с комплектующими, и заканчивая техническими проблемами.

Постоянно приходилось решить новые задачи. Первая это как крепить контакты. Мы печатали на силиконовых подложках, а к ним никакой клей не хотел браться. При этом важно было время засыхания, не более 2-3 сек на контакт. Обзвонив порядка 14 НИИ и несколько компаний производящих клеи, я постоянно слышал ответ что такое невозможно. Заливать силиконом нельзя, он долго сохнет. Некоторые присылали экспериментальные клеи, но они не подходили.

Например, была компания «Полидокс», которая прислала экспериментальный клей (метилен хлорид), который они разработали для склеивания мебели, но он слишком быстро сох и поэтому для мебели не мог использоваться (несколько секунд). Это я к тому, что у нас разрабатывают разные клеи. Но если честно, то в продаже я его не видел. Он отлично клеит разные другие вещи, и моментально сохнет. К сожалению, сам клей не подошел нам (силикон вообще очень привередливый материал).

Несколько месяцев экспериментов и наконец остановился на модифицированном клее, его предложили в одном НИИ Ростеха, который разработал его для оборонки (не знаю где и что там им клеили).

Второй проблемой были сами контакты. Была разработана специальная форма, чтобы они могли держаться и не выпадать. Клей в этом случае обеспечивал герметичность. Проблема возникла с их производством. В России просто не оказалось компании, которая может сделать такую ювелирную работу, так как размер контакта в диаметре был 1,5-2 мм. Я нашел производителей в Китае, которые делали детали подобного размера (не помню для чего) из нужных материалов. Они согласились изготовить партию. И вот электронные контакты получены. Они имели специальную крючкообразную форму, которая усиливала их крепление.

Дальше начались проблемы с подложкой. Когда я проводил эксперименты, то использовал Французскую пленку (оказалось, что она не силиконовая, даже не знаю почему я надумал, что это силикон), она предназначалась для медицины. Но ее покупка даже в небольших размерах была дорогой и я брал ее для другого проекта (мой бюджет был и так сильно ограничен – 90 метров 550 тыс руб по курсу до 24.02.2022). Могу сказать, что Flexdym пленку можно использовать для "кожи", если хотите сделать кожу (например, робота), которая снова склеиться в местах порезов. Хотя в этом случае, дешевле использовать акриловую пленку.

В итоге я пообщался с несколькими десятками компаний, производящих разную пленку из разных материалов, получил десятки образцов. Параллельно наскреб денег на покупку образцов пленки у Французов, но забыл про нашу таможню, и они ее не пропустили (пленка для микрофлюидики? Нельзя! Не понятно, что за пленка, да еще и стоит таких огромных денег и с виду обычная). Пленка вернулась обратно и так раза 3-4. В итоге французы отправили ее мне лично обычной почтой. Это все заняло почти 6 месяцев.

В итоге удалось найти несколько решений, на основе других пленок включая силиконовую. Пришлось доработать составы, для каких-то пленок специально обрабатывать поверхность. Это сотни опытов, изучения чужих исследований. На фото выше, одна из таких пленок, которая легко тянется на 800% и при этом стоит недорого и может склеиваться как бутерброд в одну пленку.

Например, один из этапов подготовки силиконовой пленки я подсмотрел в одном исследовании. Там на поверхность наносился микрошаблон. Это придавало пленке новые свойства, липкость, как у геконна, который ползает по стенам. В моем случае микрошаблон улучшал клейкость пленки. Дальше она обрабатывалась и наносился дополнительный усилитель клея.
Силиконовая пленка очень сложная в работе, если ее использовать без дополнительной обработки. Сложности работы с силиконом - это его сильная и слабая сторона. На одной чаше весов: хим. стойкость, держит температуры 450-500℃ и выше, прочный даже при толщине 0,1 мм. С другой, с ним ничего не склеивается, при нагревании вы скорее убьете чернила и электронику, а два слоя силикона лишь немного сплюснутся, но не вступят в реакцию друг с другом. Более подробно об этой проблеме можно посмотреть в моем диалоге на форуме химиков.

В случае силикона, благодаря лабораториям в Китайских компаниях, удалось разработать особый вид рулонной силиконовой пленки. Она более прозрачная, лучше тянется, держит температуру и т.д. Все это наши коллеги в Китае делали бесплатно, им было интересно получить новый продукт с новыми свойствами, а нам нужный нам материал. Каким-то чудом удалось сделать взаимодействие 3ех китайских лабораторий, где одни создавали пленку, другие промежуточный слой, другие клеющее покрытие. И все это было бесплатно, где я выступал, координатором. Итогом был, по сути, коллективный труд моей и этих компаний.

Другая проблема была со сплавом галлия. Образец, который был у меня, был слишком жидким. Он совершено не хотел застывать, его температура застывания была ниже 0 градусов, а наша установка могла остужать только до +5 градусов. Пришлось снова садиться за эксперименты. В мире все научные работы по славам галлия сводятся к теплопроводности, к химической стойкости, коррозии и реакции с другими металлами. Про электропроводность нет ни одной работы. Поэтому пришлось все делать снова самому. Заказал производство 17 различных сплавов, чтобы измерить параметры и построить хотя бы приблизительные зависимости свойств материала от примесей. Я пробовал обращаться в вузы, например, МГУ. Но стоимость даже поверхностных измерений части параметров выходили в 300-350 тыс (у меня таких денег на тот момент не было, все уходило в разработку). А за серьезные исследования просили порядка 2 млн руб (в 2021 году). Так как измерить даже приблизительно самому было проблематично, то я нашел отличных ребят из НИИ Роснано, с их чудесной лабораторией. Заведующий лаборатории согласился сделать измерения за допустимую для меня цену, за что ему огромное спасибо. Мы встретились и за кальяном обсудили разработку, где я описал ему весь проект и получил от него тонну ценной информации.

Удалось получить удельное сопротивление сплава всего в 2,2 раза хуже, чем у меди. Но мы даже не занимались еще его оптимизацией. Поэтому уверен, что параметры будут значительно лучше.

В дальнейшем я решил пойти дальше, и купил углеродных нано трубок. Это следующий шаг исследования, сделать их добавки, чтобы изучить свойства сплава в плане электропроводимости, а так же это значительно улучшает теплопроводность. Пока в планах получить параметры немного лучше, чем у меди.

Пока шли разработки драйверов для оборудования я писал софт, который позволял бы рисовать электронную схему и импортировать уже существующие для печати.

А также управлять оборудованием и процессом печати, распараллеливая разные задачи в модулях в процессе печати. Красотой софта не занимался, так как сейчас важнее функционал для тестирования и подборки параметров материалов.

Параллельно я подал заявку на патент в РФ и международный.

Конечно, проблем было еще больше, это и очистка от пепла. Это создание дырок для вставки контактов, приклеивание контактов, подача специального клея для подложек (которые изначально не могут склеиваться).

Вообще изначально я видел применение этой технологии в робототехнике, но пока внимания от этих компаний нет. В любом случае это вопрос времени, так как куча проводов, изгибов, растяжений – это головная боль при создании антропоморфных роботов. Поэтому сейчас решено собрать стенд на базе открытого проекта inMoov и заменить в нем шлейфы и сенсоры на пальцах на тянущиеся плата.

Например, сгибаемые конечности (роборука, протезы). Провода тут плохо применимы, но их используют из-за отсутствия альтернативы. Пример Tau Tracker с перчаткой (собственно он и просил изначально разработать). Обычные провода перегибаются и со временем умирают.

Сейчас много компаний во всем мире работают над этим направлением. Выше лишь небольшой список таких компаний. Но пока у всех только лабораторные исследования, ни у кого нет полного цикла разработки такой продукции.

Такой ажиотаж в разработке технологии вызван тем, что рынок тянущейся электроники оценивается в 35-90 млрд долларов в ближайшие годы.

Что теперь? Сейчас я пытаюсь найти, где моя технология может применяться. Найти стартапы, проекты, людей на которых я смогу опробовать технологию.

Например, компании которые обратились, интересует применение: для нейро шапочек и датчиков, гибкие дисплеи, VR перчатки, одежда для спорта.

Изначально было желание сделать проект на Kickstarter. Попробовать собрать деньги на производство USB проводов для телефона, чтобы решить вечную проблему поломки кабеля. Это позволит показать потенциал технологии и одну из сфер ее применения. Вероятно, теперь придется сразу начинать выпускать такие кабели и выходить на рынки сбыта.

Сейчас мы дорабатываем оборудование, для того чтобы оно могло работать с большим кол-вом видов пленок, а также разбиваем его на модули (чтобы для разных материалов, можно было использовать разные модули).

Что дальше? Сейчас мы дорабатываем софт и оборудование. Параллельно я работаю над улучшением технологии, где задача использовать фотолитографию, но не в привычном виде (как на рисунке), а адаптированном под наши потребности. Поэтому веду исследования, эксперименты, чтобы составить полную цепочку компонентов от материалов до необходимых элементов для производства. Использование фотолитографии должна позволить ускорить создание тянущейся электроники в 100-1000 раз.

Конечно при этом не обошлось без множества провалов. Например, попыток использовать ЧПУ вместо лазера. Казалось, что идея хорошая, но на практике пленка может иметь микроизгибы и тогда не помогает даже построение карты высот. Так же во время сверления пленка могла дергаться о дрель, что нарушало карту высот. Другая проблема была с липкими и мягким материалами. Там стружка прилипала и вместо дорожек, мы получаем кашу.

Немного о печальном для России. В Европе, одной из компаний SINTECK (https://www.sintec-project.eu/) на создание подобного оборудование дали в совокупности грант на 4 млн евро сроком на 4 года, у меня было только 2 млн руб (+ мои деньги) сроком в 1 год.

Когда в Москве подавался на конкурс «Новатор Москвы» в 2021 году, то не прошел в финал. Сказали, что тема интересная, но мне не хватает специалистов, поэтому не потяну (на тот момент оборудование было в процессе производства).

Зато в 2022 году, при той же заявке, но уже с результатами сказали обратное – спецы есть, деньги есть, но коммерческого плана нет и научных работ нет. Это при том, что заявка была на конкурс идей, а не готовых проектов.

Вот так это выглядело 6-8 месяцев назад (тогда мы только были в начале пути разработки своей программы для управления оборудованием, а само оборудование было не полным).

Но это стендовый образец, который уже дорабатывается (модули для нанесения клея, модули для убирания пепла, модули…), так как были выявлены проблемы и найдены решения. Куча дополнительного оборудования к нему, сейчас стоит на полу. Так же сейчас разбиваем на отдельные модули. Различные модули в разработке. Так что новая версия будет уже совершенно другой.

А вот так должно выглядеть в итоге. Но это тоже не конечный вариант. Сейчас делаем модульный вариант, чтобы можно было менять модули под различные пленки (у каждой пленки свой техпроцесс).

Впереди еще много работы, использование в качестве чернил гелеобразных электролитов, серебряных чернил, модульность, отладка софта, множество патентов, исследований.

Если у кого-то есть идеи, где можно применить технологию в своих проектах, то пишите. Сейчас я ищу сферы применения, пытаюсь найти целевую аудиторию, поэтому готов помогать с образцами под чужие проекты.

Вообще на этом оборудовании можно делать не только тянущуюся электронику, но и товарные стикеры, липкую ленту и другие вещи. Но, конечно, использовать его не по назначению, это как забивать гвозди ноутбуком.

Параметры:

Рабочая площадь: 30х30 см (сейчас на уровне софта делаем возможность производства тянущихся плат любой длины, ограниченных шириной 30 см)

Чернила: на данный момент это наши сплавы галлия с удельным сопротивлением 0,039 Ом·мм2/м, напомню у меди 0,017 (но это не предел, сейчас работаем над тем, чтобы оно было лучше чем у меди). Так же в планах печать серебряными чернилами и геле- электролитами.

Пленки: основные силикон, TPU (полиуретановая пленка). Но так же возможно использовать Flexdym, PDMS, полиимидная пленка, PET/APET (целлофан), полиэтилен и д.р. Каждая из них подходит для разных задач.

Растяжение: в среднем 200-800% для основных пленок (зависит от пленки).

Рабочие температуры: для сплава галлия у нас разные составы с диапазоном от -20 (при котором он продолжает оставаться жидким). Сейчас работаем над составом, где диапазон температур должен достигнуть -40 (как минимум).

Высокая теплопроводность (сплав галлия используется как термопаста для процессоров). Это позволяет хорошо распределять тепло, и не дает перегреваться в каком то одном месте.

Постскриптум:

Зачем я написал эту статью? До этого, я писал статью на VC, про то, как мы 10 лет разрабатывали AR-очки. И там главной проблемой было то, что я не говорил о проекте, не показывал каждые этапы его продвижения и главное вместо запуска пусть и сырого продукта, вечно занимался совершенствованием, разработкой новых технологий и т.д.. Я не хочу в этом проекте повторять ошибки допущенные с AR-очками и через 10 лет писать статью, как мы 10 лет делали тянущуюся электронику, но так и не выпустили ее.

Тут я периодически показываю ход работ разных наших проектов: https://t. me/greenruff

Собственно, сайт нашей компании. Сделали, чтобы просто был: https://iflexible. tech/