पहनने योग्य और फोल्डेबल उपकरणों के लिए स्थायित्व और लागत बाधाओं पर काबू पाना

जैसे-जैसे बाजार की मांग बढ़ती है, पहनने योग्य और मोड़ने योग्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को स्थायित्व और लागत में महत्वपूर्ण चुनौतियों का सामना करना पड़ता है जो व्यापक रूप से अपनाने में बाधा उत्पन्न करते हैं। हालाँकि, विविध दृष्टिकोणों का उद्देश्य इन बाधाओं को दूर करना है, अंततः अधिक लचीले, किफायती और स्केलेबल पहनने योग्य और फोल्डेबल समाधानों का मार्ग प्रशस्त करना है।

स्थायित्व और लागत

पहनने योग्य तकनीक दैनिक जीवन का एक महत्वपूर्ण हिस्सा बन गई है, जो फिटनेस ट्रैकर, स्मार्टवॉच और संवर्धित वास्तविकता चश्मे जैसे उपकरणों के माध्यम से अभिनव समाधान पेश करती है। इन उपकरणों ने प्रौद्योगिकी के साथ उपयोगकर्ता के संपर्क को बदल दिया है, लेकिन दीर्घकालिक विश्वसनीयता और स्थायित्व को लेकर चिंताएं हैं।

लघु सेंसर और लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स सहित हाल की प्रगति ने व्यावसायीकरण को सक्षम किया है, लेकिन सबसे अधिक ध्यान स्थायित्व के बजाय सेंसर की कार्यक्षमता पर रहा है। हालाँकि, स्थायित्व और यांत्रिक अखंडता – जो दीर्घकालिक उपयोग के लिए आवश्यक है – को अक्सर विकास के दौरान अनदेखा कर दिया जाता है।

लचीले और फैलने योग्य पहनने योग्य उपकरण, विशेष रूप से वे जो त्वचा या शरीर के अनुरूप होते हैं, निरंतर गति, शरीर के आकार में भिन्नता और जैव-अनुकूलता की आवश्यकता के कारण अतिरिक्त स्थायित्व चुनौतियों का सामना करते हैं। फोल्डेबल डिवाइस भी अपनी व्यावसायिक सफलता के बावजूद स्थायित्व के साथ संघर्ष करते हैं।

पहनने योग्य और फोल्डेबल उपकरणों को व्यापक रूप से अपनाने में लागत एक बड़ी बाधा बनी हुई है। उन्नत मॉडल, विशेष रूप से स्वास्थ्य-निगरानी या चिकित्सा-ग्रेड सुविधाओं वाले, अक्सर उच्च मूल्य टैग के साथ आते हैं।

स्थायित्व बाधाओं पर काबू पाना

पहनने योग्य उपकरणों में स्थायित्व के मुद्दों को संबोधित करने के लिए कई अध्ययन किए गए हैं। ऐसा ही एक अध्ययन, में प्रकाशित हुआ एनपीजे फ्लेक्सिबल इलेक्ट्रॉनिक्ससिलबियोन-मिश्रित हाइब्रिमर-आधारित एनकैप्सुलेशन का उपयोग करके पहनने योग्य कार्बनिक प्रकाश उत्सर्जक डायोड के लचीलेपन और विश्वसनीयता में सुधार करने पर ध्यान केंद्रित किया गया है। शोधकर्ताओं ने एक लचीली अवरोधक परत के रूप में काम करने के लिए सिलबियोन के साथ मिश्रित एक कठिन कार्बनिक/अकार्बनिक हाइब्रिडर विकसित किया। इस सिलबियोन-मिश्रित हाइब्रिमर (एसबीएच) ने मानक हाइब्रिमर की तुलना में बढ़े हुए बढ़ाव और तन्य शक्ति जैसे उन्नत यांत्रिक गुणों का प्रदर्शन किया। अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि एसबीएच एनकैप्सुलेशन यांत्रिक और पर्यावरणीय स्थिरता दोनों प्रदान करता है, जो उन्हें पहनने योग्य ओएलईडी अनुप्रयोगों के लिए अत्यधिक उपयुक्त बनाता है।

दो अध्ययनों ने पहनने योग्य उपकरणों के स्थायित्व को बढ़ाने के लिए नवीन दृष्टिकोणों की खोज की। पहला अध्ययन 3डी प्रिंटिंग प्रक्रिया का उपयोग करके एक नया ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोजेनरेटर (टीईएनजी) विकसित किया, जिसने समान ग्राफीन-आधारित अनुप्रयोगों की तुलना में स्थायित्व में 2.5 गुना सुधार किया। विकसित उपकरणों में एक कम ऊर्जा वाला चार्जिंग ज़ोन और एक स्मार्ट दस्ताना शामिल था जो 21 इंटरैक्टिव चैनलों के माध्यम से कंप्यूटर को नियंत्रित करने में सक्षम था। टीईएनजी का परीक्षण तन्य तनाव के तहत किया गया और उनके कार्यात्मक गुणों को बनाए रखा गया, जो मजबूत यांत्रिक लचीलेपन का संकेत देता है।

दूसरा अध्ययन पहनने योग्य पीज़ोइलेक्ट्रिक सेंसर के लिए डिज़ाइन किए गए स्मार्ट फैब्रिक पर केंद्रित था। इस कपड़े का निर्माण बुना हुआ समाक्षीय फाइबर, एक नायलॉन सब्सट्रेट, एक वाष्पित सोने की परत और कार्बन फाइबर का उपयोग करके किया गया था। कपड़े ने दबाव डालने पर सफलतापूर्वक सिग्नल उत्पन्न किए और परीक्षण के बाद उत्कृष्ट स्थायित्व और हस्तक्षेप-मुक्त संचालन का प्रदर्शन किया।

फोल्डेबल उपकरणों में स्थायित्व बाधा

मोड़ने या मोड़ने के दौरान आकार बनाए रखने में भौतिक संरचनाओं का महत्व महत्वपूर्ण है। इलेक्ट्रोड सामग्रियों की आकृति विज्ञान और आयामी स्थिरता लचीलेपन और यांत्रिक प्रदर्शन के लिए महत्वपूर्ण हैं। लचीली सामग्रियों के साथ भी, असंगत घटकों के उपयोग से फोल्ड होने पर डिवाइस विफल हो सकता है। इसलिए, वर्तमान संग्राहकों, सक्रिय सामग्रियों, बाइंडरों और एडिटिव्स का उचित चयन आवश्यक है।

सामग्रियों को 1डी, 2डी और 3डी प्रकारों में वर्गीकृत किया गया है, जिनमें से प्रत्येक लचीलेपन और स्थिरता में योगदान देता है। कार्बन फाइबर, कार्बन नैनोट्यूब, धातु के तार और अन्य 1डी सामग्री सक्रिय तत्वों को उलझाते हैं और तनाव के तहत यांत्रिक अखंडता को संरक्षित करते हैं। ये कार्बन- और धातु-आधारित सामग्रियां सामंजस्य, आसंजन और लचीलेपन में सुधार करके फोल्डेबल बैटरी के प्रदर्शन को बढ़ाने की बड़ी क्षमता प्रदर्शित करती हैं।

अध्ययन करते हैं फोल्डेबल बैटरियों में 1डी कार्बन- और धातु-आधारित सामग्रियों की प्रभावशीलता प्रदर्शित करें। एक अध्ययन में लचीली एल्यूमीनियम-आयन बैटरियों में कैथोड के रूप में कोबाल्ट सल्फाइड-एनकैप्सुलेटेड कार्बन नैनोट्यूब के साथ बाइंडर-मुक्त कार्बन फाइबर फिल्म बनाने के लिए इलेक्ट्रोस्पिनिंग का उपयोग किया गया। एक अन्य अध्ययन में अल्ट्रासोनिक स्प्रे कोटिंग का उपयोग करके नैनोवायर-अराउंड-माइक्रोफाइबर संरचनाएं विकसित की गईं, जो वर्तमान कलेक्टरों या बाइंडरों के बिना उच्च लचीलापन प्राप्त करती हैं।

इसके अतिरिक्त, 2डी सामग्रियां उच्च चालकता, विद्युत रासायनिक स्थिरता और यांत्रिक शक्ति प्रदान करती हैं। उनकी शीट जैसी संरचना स्केलेबल नैनोमैन्युफैक्चरिंग के लिए आदर्श है। एक अध्ययन ने लेवनिंग-साथ कटौती प्रक्रिया का उपयोग करके सूक्ष्म-शून्य के साथ कम ग्राफीन ऑक्साइड फिल्मों की इंजीनियरिंग करके एक ठोस-अवस्था वाले फोल्डेबल सुपरकैपेसिटर विकसित किया है। इस छिद्रपूर्ण संरचना ने फोल्डेबिलिटी को बढ़ाया और 2,000 फोल्डिंग चक्रों के बाद दरार को रोका, लगभग 100% कैपेसिटेंस बनाए रखा। निष्कर्षों ने 2डी ग्राफीन सामग्रियों में संरचनात्मक इंजीनियरिंग के महत्व पर प्रकाश डाला। 3डी झरझरा सामग्री विरूपण को समायोजित करने और आयन अवशोषण में सुधार के लिए भी आशाजनक है।

संरचनात्मक डिजाइन दृष्टिकोण

एक संरचनात्मक डिजाइन दृष्टिकोण कठोर ऊर्जा भागों को लचीले नरम भागों से अलग करके, आकार को बनाए रखते हुए, मानक विनिर्माण, लागत-प्रभावशीलता के साथ संगतता सुनिश्चित करने और उच्च-प्रदर्शन, स्थिर विद्युत रासायनिक गुणों को प्राप्त करके फोल्डेबल ऊर्जा-भंडारण उपकरणों के सिस्टम-स्तरीय एकीकरण को सक्षम बनाता है।

मानव रीढ़ से प्रेरित होकर, शोधकर्ताओं ने उच्च ऊर्जा घनत्व वाली रीढ़ जैसी बैटरी का निर्माण किया, जिसमें कठोर ऊर्जा भंडारण घटकों और कशेरुक और मज्जा जैसे नरम लचीले भागों का संयोजन किया गया। उन्होंने पारंपरिक एनोड, विभाजक, कैथोड और पॉलीथीन फिल्म को बहु-शाखाओं वाली पट्टियों में ढेर कर दिया, जो ऊर्जा घनत्व के लिए मोटी ढेर बनाने के लिए रीढ़ की हड्डी के चारों ओर लपेटे गए थे, जबकि खुले खंड लचीलापन प्रदान करते थे। साइक्लिंग परीक्षणों में 20 चक्रों के लचीलेपन और 10 चक्रों के मुड़े हुए अवस्थाओं के बाद 99.4% की क्षमता अवधारण दिखाई दी, जो दर्शाता है कि विरूपण ने प्रदर्शन को प्रभावित नहीं किया।

शोधकर्ताओं ने उच्च ऊर्जा घनत्व और उत्कृष्ट फोल्डेबिलिटी के साथ एक ज़िगज़ैग जैसी फोल्डेबल बैटरी विकसित की है, जो एक पारंपरिक ग्रेफाइट एनोड, सेपरेटर, लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड कैथोड, मेटल करंट कलेक्टर्स और टेप से बनी है। टेप ने नरम तह जोड़ों की रक्षा की, 4% से कम क्षेत्र पर कब्जा कर लिया और न्यूनतम ऊर्जा घनत्व (<0.5%) को प्रभावित किया।

इसके अतिरिक्त, शोधकर्ताओं ने एक फोल्डेबल लिथियम-आयन बैटरी का निर्माण किया, जिसमें परस्पर जुड़े कठोर खंड (एनोड, सेपरेटर, कैथोड) आधे में मुड़े हुए थे। ये कठोर भाग लचीले स्नायुबंधन के रूप में कार्य करते हुए नरम जंक्शनों द्वारा जुड़ते हैं। झुकने के दौरान घन इकाइयाँ घुमावदार सतह के साथ चलती हैं, जिससे कठोर भागों के बीच अतिरिक्त जगह की आवश्यकता समाप्त हो जाती है, जिससे संभावित रूप से बैटरी की ऊर्जा घनत्व में वृद्धि होती है।

लागत बाधा

निर्माण विधियां पहनने योग्य और मोड़ने योग्य उपकरणों की लागत को गंभीर रूप से प्रभावित करती हैं। एक टैटू जैसा दिखने वाला पॉलिएस्टर-आधारित एपिडर्मल इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम, भारी चिकित्सा उपकरणों के बिना महत्वपूर्ण संकेतों, मांसपेशियों की गतिविधि और मस्तिष्क तरंगों की लागत प्रभावी, वास्तविक समय की निगरानी की क्षमता प्रदर्शित करता है। प्रदर्शन को बढ़ाने और लागत को कम करने के लिए, अनुसंधान उन्नत सब्सट्रेट, प्रवाहकीय सामग्री और कुशल उत्पादन विधियों सहित लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स पर केंद्रित है।

कोटिंग, स्पटरिंग और विभिन्न प्रिंटिंग विधियां – जैसे इंकजेट, ग्रैव्योर और स्क्रीन प्रिंटिंग जैसी तकनीकें 3डी इलेक्ट्रॉनिक्स के सटीक, तेज़ प्रोटोटाइप को सक्षम बनाती हैं। ये विधियाँ जटिल वास्तुकला वाले पहनने योग्य उपकरणों के विकास का समर्थन करती हैं।

एक नए विकल्प में लिखावट के माध्यम से इलेक्ट्रॉनिक सर्किट बनाना शामिल है। लेखन उपकरणों का उपयोग करके, उपयोगकर्ता सीधे ढांकता हुआ सब्सट्रेट पर कार्यात्मक इलेक्ट्रॉनिक घटकों को आकर्षित कर सकते हैं। यह कलम आधारित दृष्टिकोण बायोमेडिकल, इलेक्ट्रोकेमिकल और ऊर्जा अनुप्रयोगों के लिए प्रवाहकीय सामग्रियों के तेज़, सुविधाजनक जमाव को सक्षम बनाता है।

पारंपरिक मुद्रण विधियों के साथ एकीकृत होने पर, यह तकनीक – जिसे पेन-एनालॉग लेखन कहा जाता है – लागत-प्रभावशीलता, स्केलेबिलिटी और रिज़ॉल्यूशन को बढ़ाती है। हाथ से लिखने वाला इलेक्ट्रॉनिक्स मुद्रित इलेक्ट्रॉनिक्स के समान लाभ प्रदान करता है लेकिन काफी कम लागत पर।

4D

हाल ही में शोधकर्ताओं ने पेन-आधारित 4डी प्रिंटिंग विकसित की है। यह वह जगह है जहां 2डी प्रिंट को मोनोमर समाधान में डुबोकर 3डी आकृतियों में बदल दिया जाता है। यह विधि मुद्रांकन, पेंटिंग और लेखन का समर्थन करती है। अन्य तकनीकों की तुलना में, 3डी प्रिंटिंग डिज़ाइन लचीलापन, उच्च रिज़ॉल्यूशन और लागत-प्रभावशीलता जैसे लाभ प्रदान करती है।

सामग्री, संरचनात्मक डिजाइन और कम लागत वाली निर्माण तकनीकों में हालिया प्रगति लागत और स्थायित्व बाधाओं को दूर करने की मजबूत क्षमता दिखाती है। ये नवाचार अधिक लचीले, किफायती और स्केलेबल अगली पीढ़ी के लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स का मार्ग प्रशस्त कर रहे हैं।

देखें: किसी भी पहनने योग्य वस्तु के लिए संपर्क रहित भुगतान सक्षमकर्ता