Durch flexible Lamellen und Flüssigkeitströpfchen gesteuerte Displays sind vielseitiger und effizienter als LED-Bildschirme

Ingenieure, inspiriert von der sich verändernden Haut von Tieren wie Chamäleons und Kraken

Von

Veröffentlicht

Champaign, Ill. – Flexible Displays, die ihre Farbe ändern, Informationen übermitteln und sogar verschleierte Nachrichten über Infrarotstrahlung senden können, sind jetzt dank neuer Forschungen der University of Illinois Urbana-Champaign möglich. Ingenieure, die sich von der sich verändernden Haut von Tieren wie Chamäleons und Kraken inspirieren ließen, haben kapillargesteuerte Roboterflossen entwickelt, um umschaltbare Multipixel-Displays mit optischem und Infrarotlicht zu schaffen, die 1.000-mal energieeffizienter sind als lichtemittierende Geräte.

Ingenieure der University of Illinois Urbana-Champaign haben eine neue Art von Bildschirmen entwickelt, die flexible Lamellen, unterschiedliche Temperaturen und Flüssigkeitströpfchen nutzen, die in verschiedenen Ausrichtungen angeordnet werden können, um Bilder zu erzeugen. Die Steuerung ist präzise genug, um komplexe Bewegungen auszuführen, beispielsweise das Öffnen einer Blumenblüte zu simulieren. Bild mit freundlicher Genehmigung von Sameh Tawfick.

Porträt des Forschers Sameh TawfickSameh Tawfick Bild mit freundlicher Genehmigung von Maschinenbau und Wissenschaft

Die neue Studie unter der Leitung von Sameh Tawfick, Professor für Maschinenbau und Ingenieurwesen, zeigt, wie biegsame Flossen und Flüssigkeiten gleichzeitig zwischen gerade oder gebogen und heiß und kalt wechseln können, indem sie das Volumen und die Temperatur winziger, mit Flüssigkeit gefüllter Pixel steuern. Durch Variieren des Flüssigkeitsvolumens in den Pixeln kann sich die Richtung ändern, in die sich die Klappen bewegen – ähnlich wie bei altmodischen Flip-Uhren – und durch Variieren der Temperatur können die Pixel über Infrarotenergie kommunizieren.

Die Studienergebnisse werden in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.

Tawficks Interesse an der Wechselwirkung von elastischen und Kapillarkräften – oder Elasto-Kapillarität – begann als Doktorand, umfasste die Grundlagenwissenschaft der Haarbenetzung und führte zu seiner Forschung im Bereich Soft-Roboter-Displays in Illinois.

„Ein alltägliches Beispiel für Elastokapillarität ist das, was mit unseren Haaren passiert, wenn wir unter die Dusche gehen“, sagte Tawfick. „Wenn unser Haar nass wird, verklebt es und verbiegt oder bündelt sich, da Kapillarkräfte wirken und beim Austrocknen freigesetzt werden.“

Im Labor erstellte das Team kleine Kästchen oder Pixel mit einer Größe von wenigen Millimetern, die Flossen aus einem flexiblen Polymer enthalten, die sich biegen, wenn die Pixel mit Flüssigkeit gefüllt und mithilfe eines Systems winziger Pumpen abgelassen werden. Die Pixel können einzelne oder mehrere Rippen haben und in Arrays angeordnet sein, die eine Anzeige zur Informationsvermittlung bilden, sagte Tawfick.

„Wir sind auch nicht auf kubische Pixelboxen beschränkt“, sagte Tawfick. „Die Flossen können in verschiedenen Ausrichtungen angeordnet werden, um unterschiedliche Bilder zu erzeugen, sogar entlang gekrümmter Oberflächen. Die Steuerung ist präzise genug, um komplexe Bewegungen auszuführen, wie zum Beispiel das Öffnen einer Blumenblüte zu simulieren.“

Die Studie berichtet, dass ein weiteres Merkmal der neuen Displays die Fähigkeit ist, zwei gleichzeitige Signale zu senden – eines, das mit dem menschlichen Auge sichtbar ist, und ein anderes, das nur mit einer Infrarotkamera sichtbar ist.

Eine schematische Darstellung der gleichzeitigen optischen und infraroten Anzeige der Wörter „OK“ und „NEIN“. In der Grafik werden kalte Pixel durch eine blaue Farbe und heiße Pixel durch eine rosa Farbe angezeigt. Grafik mit freundlicher Genehmigung von Sameh Tawfick.

„Da wir die Temperatur dieser einzelnen Tröpfchen kontrollieren können, können wir Nachrichten anzeigen, die nur mit einem Infrarotgerät sichtbar sind“, sagte Tawfick, „Oder wir können zwei verschiedene Nachrichten gleichzeitig senden.“

Allerdings gebe es bei den neuen Displays ein paar Einschränkungen, sagte Tawfick.

Beim Bau der neuen Geräte stellte das Team fest, dass die winzigen Pumpen, die zur Steuerung der Pixelflüssigkeiten benötigt werden, nicht im Handel erhältlich waren und das gesamte Gerät empfindlich auf die Schwerkraft reagiert – was bedeutet, dass es nur in horizontaler Position funktioniert.

„Sobald wir das Display um 90 Grad drehen, nimmt die Leistung stark ab, was sich nachteilig auf Anwendungen wie Werbetafeln und andere für die Öffentlichkeit bestimmte Schilder auswirkt“, sagte Tawfick. „Die gute Nachricht ist, dass wir wissen, dass Flüssigkeitströpfchen, wenn sie klein genug werden, unempfindlich gegenüber der Schwerkraft werden, etwa wenn Sie einen Regentropfen an Ihrem Fenster kleben sehen und er nicht herunterfällt. Wir haben herausgefunden, dass die Schwerkraft kein Problem mehr darstellt, wenn wir fünfmal kleinere Flüssigkeitströpfchen verwenden.“

Das Team sagte, dass die Wissenschaft hinter der Wirkung der Schwerkraft auf Tröpfchen gut verstanden sei und den Schwerpunkt für ihre nächste Anwendung der neuen Technologie bilden werde.

Tawfick sagte, er sei sehr gespannt, wohin sich diese Technologie entwickeln werde, da sie eine neue Idee in einen großen Markt für große reflektierende Displays bringe. „Wir haben eine völlig neue Art von Displays entwickelt, die nur minimale Energie benötigen, skalierbar und sogar flexibel genug sind, um auf gekrümmten Oberflächen platziert zu werden.“

An dieser Forschung waren auch die Illinois-Forscher Jonghyun Ha, Yun Seong Kim, Chengzhang Li, Jonghyun Hwang, Sze Chai Leung und Ryan Siu beteiligt.

Das Airforce Office of Scientific Research und die National Science Foundation unterstützten diese Forschung.

Neuveröffentlichung von der University of Illinois Urbana-Champaign. Von Lois Yoksoulian | Herausgeber der Physikalischen Wissenschaften

Der Artikel „Polymorphe Anzeige- und Textur-integrierte Systeme gesteuert durch Kapillarität“ ist online verfügbar. DOI: 10.1126/sciadv.adh1321

Wir veröffentlichen eine Reihe von Gastbeiträgen von Experten aus den unterschiedlichsten Bereichen. Dies ist unser Beitragskonto für diese besonderen Personen, Organisationen, Agenturen und Unternehmen.

Machen Sie Werbung mit CleanTechnica, um Ihr Unternehmen monatlich Millionen von Lesern vorzustellen.

Chemiker unter der Leitung des Beckman-Forschers Xiao Su haben gezeigt, dass die Wassersanierung teilweise – und vielleicht sogar ausschließlich – durch … erfolgen kann.

Vier weitere Jahre an hochauflösenden Bilddaten wurden veröffentlicht, um die Polarregionen in atemberaubenden Details zu zeigen, dank eines hart arbeitenden Teams von ...

Um Materialien für bessere Batterien zu finden, müssen sich Forscher durch ein riesiges Kandidatenfeld kämpfen. Neue Forschungsergebnisse demonstrieren eine Technik des maschinellen Lernens, die ...

Die Wettbewerber repräsentieren die nächste Generation energiebewusster Architekten und Ingenieure, die unsere Zukunft mit sauberer Energie gestalten werden