Новая электроника

“Смысл жизни в том, чтобы достигнуть совершенства и рассказать об этом другим”.

Ричард Бах.

Что касается совершенства, то ему, как известно, пределов нет. Или практически нет. Да и окружающие нас технологические достижения цивили­зации чуть ли не ежедневно говорят о том же. В частности, совсем недавно создано устройство для превращения телевизора в гигантский планшет. Гаджет под названием Touchjet WAVE устанавливают сверху телевизора и подключают через HDMI. Встроенные в устройство инфракрасные датчики фиксируют касания к экрану пальцев или стилуса, а управляющая плата интерпретирует жесты для установлен­ной на Touchjet WAVE операционной системы Android 4.4. Удалённо управ­лять таким Android-телевизором можно специальным приложением для Android и iOS, и на него можно, как и на обычный смартфон или планшет, устанавливать приложения из Google Play.

С другой стороны, на смену уст­ройствам с сенсорным экраном и уст­ройствам для распознавания жестов идут гаджеты с функцией взаимодейст­вия взглядом, которые обеспечивают автоматическое пролистывание текста, контроллеры, двигающие крошечные бугорки по пальцам геймеров, а также мобильные или стационарные уст­ройства, учитывающие эмоциональ­ное состояние хозяина. С помощью таких устройств потребители наладят более тесный контакт с персональной электроникой.

Головные телефоны и динамические головки будущего смогут адаптиро­ваться к слуху человека путём оценки реакции среднего уха и улиткового нер­ва. Ряд крошечных направленных мик­рофонов и усовершенствованная аку­стическая система помогут уменьшить внешний дорожный шум в автомобилях или “сфокусируют” звук в направлении слушателя. При этом в смартфонах качество звука улучшится в 16 раз в сравнении с “металлическим” звучани­ем сегодняшних гаджетов. В трёхмер­ных фильмах улучшится объёмное звучание, что обеспечит неповторимые впечатления в кинотеатрах или дома.

Настоящую революцию несут в себе OLED-телевизоры. Составляющие ос­нову их матрицы органические свето­диоды позволяют многократно увели­чить число цветов и улучшить их пере­дачу, а также изготавливать ультратонкие экраны практически любого разме­ра и формы без потери качества изоб­ражения.

Ещё одним драйвером роста телеин­дустрии уже стали стриминговые (пото­ковые) видеосервисы. Сначала Hulu, а затем Netflix, HBO Now и другие компа­нии дали пользователям возможность изменить саму привычную модель по­требления контента. Подписка на сервисы даёт доступ к огромным каталогам с лучшими фильмами и сериалами за относительно небольшие деньги, и тут даже “признанные” кабельные операто­ры остаются не у дел. Впрочем, это не только сделало из видеосервисов ре­альных конкурентов обычного телеви­дения, но и вдохнуло новую жизнь в развитие ТВ-индустрии. Подписная мо­дель оказалась настолько успешной, что даже китайский онлайн-гигант Alibaba 2 сентября 2015 г. запустил китайский аналог Netflix — Tmall Box Office (TBO). Популяризации стриминговых сервисов способствует и то, что современным “умным” телевизорам для демонстрации интернет-видео уже не нужны внешние видеоплейеры, ведь они обладают доступом к сети и осна­щены встроенными приложениями.

Что касается видео, то планшеты и смартфоны получат экраны со сверхвы­соким разрешением и гораздо более богатыми визуальными свойствами. На больших экранах частоту кадров соби­раются увеличить до 1000 Гц. Кроме того, скоро видеоэкраны могут стать такими дешёвыми, что в магазинах будут использоваться как видеоярлыки. К тому же в сентябре целый ряд круп­ных компаний, работающих в индустрии интернет-технологий, Amazon, Cisco, Google, Intel, Microsoft, Mozilla и Netflix, объявили о намерении совместными усилиями создать новый, более эффек­тивный адаптивный формат сжатия видео, который, в отличие от сущест­вующих, будет распространяться бес­платно. Инициатива получила название Alliance for Open Media (“Объединение ради открытых средств информации”). Всё это — хорошая новость для видео с высоким разрешением 4K (Ultra HD), требующего сейчас в среднем около 100 Гбайт памяти на один фильм. Те­перь оно сумеет ужаться. Но дело не только в памяти, потому что ускорится скачивание и уменьшится нагрузка на сети связи. Хотя, с другой стороны, компактные системы хранения данных уже сейчас преодолевают терабайтный порог.

Что касается области хранения дан­ных, то недавно компанией Intel заявле­на технология 3D XPoint. На её базе строится энергонезависимая память, способная повысить скорость работы различных устройств, приложений и сервисов, требующих быстрый доступ к большим объёмам данных. Память 3D XPoint позволяет создать новую катего­рию устройств хранения данных впер­вые со времён выхода на рынок флэш- памяти стандарта NAND в 1989 г. Она обеспечивает в тысячу раз более высо­кую скорость обмена данными с памя­тью по сравнению с NAND. Появление 3D XPoint на рынке ожидается уже в 2016 г. под названием Intel Optane Technology. Как заявляет компания Intel, 3D XPoint будет поддерживаться любы­ми типами платформ, от дата-центров и до ультрабуков.

На последнем мероприятии Flash Memory Summit в Калифорнии компа­ния Samsung представила самый ёмкий твердотельный накопитель из сущест­вующих на рынке, ёмкостью более 15 ТБ в форм-факторе 2,5 дюйма. Для сравнения самый ёмкий на рынке жёст­кий диск аналогичного форм-фактора, выпущенный Western Digital, имеет ёмкость 10 ТБ. В линейке же Seagate самый ёмкий жёсткий диск способен вместить 8 ТБ.

Британская компания Intelligent Energy создала работающий прототип iPhone с тонкой батареей, которая по запатентованной технологии позволяет вырабатывать электроэнергию путём соединения водорода и кислорода с минимальным образованием “побоч­ных продуктов” — воды и тепла.

В 2016 г. компания Google обещает вывести на рынок смартфон-конструк­тор Project Ara. Собственно, компания хотела сделать это раньше, но потребо­вались доработки, чтобы конструктор был понадёжнее. Project Ara представ­ляет собой модульный смартфон, со­стоящий из каркаса, называемого эндоскелетом, и сменных модулей, которыми могут быть экран, процессор, память, батарея, камера, датчики, чипы беспроводной связи, динамические головки и т. п. Модули позволяют поль­зователю собрать смартфон под собст­венные нужды: подсоединить батарею повышенной ёмкости, более качествен­ную камеру, более мощный процессор и т. д. Одними из элементов для сборки гаджета назывались магниты.

Не так давно компанией Samsung был представлен программно-аппарат­ный комплекс, призванный значительно упростить и улучшить повседневную жизнь людей в “умном” доме. Комплекс представляет собой систему из хаба Samsung SmartThings нового поколения и разнообразных датчиков и камер, ра­ботающих под управлением специаль­ного мобильного приложения. Сам хаб не требует постоянного подключения к Интернету для взаимодействия с датчи­ками, и в случае отключения электро­энергии он проработает ещё 10 ч от встроенного аккумулятора. Хаб получил довольно производительный процес­сор, который может самостоятельно обрабатывать потоковое видео и весь массив данных, поступающих от мно­жества датчиков и прочих периферий­ных устройств, в то время как в преды­дущей версии устройства данные обра­батывались на стороне — в “облаке”. Подобный отказ от Интернета и “облач­ных” вычислений закономерно усилил информационную безопасность дома и, похоже, стал прологом к развитию “домашних” дата-центров.

Впрочем, неоднократно упоминав­шийся нами ранее Интернет вещей (IoT — Internet of Things) продолжает набирать силу, будучи олицетворением концепции “сверхсети”, объединяющей как виртуальные, так и реальные пред­меты. В представлении футурологов в будущем каждый объект должен быть оснащён специальными датчиками. Когда-нибудь каждый продукт на полке супермаркета будет транслировать в Интернет свою стоимость, остаток сро­ка годности и т. д., а наведя смартфон на свой холодильник, пользователь сможет узнать, какие в нём хранятся продукты. Всё это должно существенно изменить повседневную жизнь челове­чества. Однако для работы любого при­бора необходима энергия. Мария Горлатова из Колумбийского университета в Нью-Йорке нашла её источник в чело­веческом движении. Исследования по­казали, что люди большую часть време­ни пассивны и около 95 % энергии про­дуцируют в течение 7 % дня. Прогулка позволяет выработать около 150мкВт, пробежка — около 800 мкВт. Спуск по лестнице вниз генерирует больше энергии, чем подъём по ней, так как производится с большей скоростью. Высокие люди производят на 20 % больше энергии. В целом же боль­шинство людей производят достаточно энергии, чтобы бесконечно транслиро­вать данные на скорости 1 кбит/с (око­ло 5 мкВт). Инженеры уже работают над алгоритмами, которые позволят улуч­шить способ аккумулирования энергии движения и найти ей наилучшее приме­нение. Рано или поздно на рынке обяза­тельно появятся “носимые” компьюте­ры со сверхнизким энергопотреблени­ем, которые смогут работать от таких источников, как энергия тела. Впрочем, уже появилось понятие Интернет На­ноВещей (IoNT — Internet of Nano- Things), в котором одной из “сцениче­ских площадок” является человеческое тело, где всё это уж точно пригодится.

Но вернёмся к “умным” домам. За­будьте смарт-телевизоры, умные тер­мостаты и холодильники — утверждает команда исследователей университета NTU из Сингапура. Уже много лет люди мечтают о том, как они будут сворачи­вать телевизор в трубочку. Закономер­но прорывом в создании “умного” дома станут интеллектуальные обои — новый вид печатной электроники, с помощью которой можно превращать стены дома в цифровые устройства, такие как ми­ниатюрные колонки, микрофоны, вы­ключатели и датчики. По сути, можно “печатать” электронные устройства любой сложности на любой подложке, в качестве которой может использовать­ся бумага, алюминий и пластиковая плёнка. Такая электроника будет, к при­меру, особенно полезна пожилым лю­дям, которые смогут взаимодейство­вать с компьютером с помощью голосо­вых команд. То есть вы просто разгова­риваете со стеной дома, а “умная” сте­на отвечает вам через громкоговорите­ли. И чтобы сделать звонок, вам также не нужно брать в руки мобильный теле­фон, достаточно опять же обратиться к стене. Нетрудно представить, какой успех ждёт эту технологию в местах от­правления религиозных культов, где ответ на молитву может поступить крайне оперативно, или в многофунк­циональных центрах по получению госуслуг.

В целом процесс изготовления пе­чатной электроники аналогичен печати на футболках. То есть он дешёв. Уни­версальность технологии позволяет встраивать такую электронику в уже готовые изделия. Например, в окна путём нанесения на них прозрачной пластиковой плёнки. В медицине гиб­кая печатная электроника может ис­пользоваться в “умных” пластырях, спо­собных регистрировать частоту сердеч­ных сокращений. Исследователи гово­рят, что не собираются конкурировать с высокопроизводительными процессо­рами, которые используются в смарт­фонах и других электронных устройст­вах. Ведь печатные платы стоят всего несколько центов, а не долларов. И это позволит выпускать электронику, пред­назначенную для одноразового исполь­зования.

Смартфоны и телевизоры с изогну­тым, но не гибким экраном уже есть. Поскольку речь уже пошла об обоях, теперь настала очередь эластичных электронных систем. Именно гибкие электронные чипы принесут револю­цию во множество изделий, сделав большинство окружающих нас вещей, от одежды до обоев на стенах, “умны­ми”. Собственно, гибкая электроника приобретает популярность по двум причинам.

Во-первых, это совершенно новые электронные устройства. Это могут быть миниатюрные смартфоны, кото­рые оборачивают вокруг запястий, или гибкие дисплеи, которые разворачи­ваются из тонкого свитка до размера огромного телевизора. Или фотогальванические панели и реконфигурируе­мые антенны, которые можно будет настилать прямо на крыши домов и автомобилей. Или гибкие имплантаты, которые могут контролировать ход та­ких болезней, как рак или диабет, а также помогать устанавливать взаимо­действие с людьми, страдающими раз­личными нарушениями функциониро­вания мозга.

Во-вторых, гибкая электроника де­шевле в производстве. Обычные полу­проводники требуют сложных процес­сов изготовления. Теперь же разработ­чики надеются печатать гибкую электро­нику на пластмассовой плёнке точно так же, как это делает на бумаге обычный принтер. И если это будет дёшево, то самая разная электроника станет одно­разовой. Можно будет носить свой те­лефон прямо на одежде или брать био­пробу, чтобы проверить состояние здо­ровья, просто лизнув кусочек ткани.

Гибкая электроника имеет ещё мас­су применений: покрытия смогли бы определять трещины и щели в различ­ных изделиях, появились бы более эф­фективные и дешёвые солнечные пане­ли, а чипы в упаковке продуктов помог­ли бы определить, не испортились ли они. Спрос ожидается высокий, но для его удовлетворения надо научиться производить подобную электронику в промышленных масштабах. До недав­него времени она являлась уделом на­учных лабораторий и лишь начинает го­товиться к выходу на рынок. К примеру, португальская компания Ynvisible уже разработала набор гибких электронных модулей, сопоставимых по толщине с листом обычной бумаги.

В августе компания LG представила клавиатуру Rolly Keyboard — полнораз­мерное устройство для мобильных гад­жетов, которое легко свернуть и удобно носить. Она помещается не только в сумке или рюкзаке, но даже в кармане. Стоит отметить, что клавиатура сдела­на из твёрдых материалов (поликарбо­ната и пластика), о резине или силиконе речи не идёт. Конечно, это лишь клавиа­тура, но ведь и это лишь начало…

Исследователи из Министерства энергетики США (DOE) Национальной лаборатории Беркли (Berkeley Lab) раз­работали перспективный и недорогой метод изготовления крупномасштаб­ных гибких и растягивающихся “печат­ных” плат с использованием углерод­ных нанотрубок-полупроводников. Чтобы продемонстрировать разработ­ку, исследователи построили искус­ственную “электронную кожу” (e-skin) площадью 56 см². Она представляет собой гибкую и механически растяги­вающуюся плату из полностью пассиви­рованного (пассивирование — процесс образования тонкой и прочной оксид­ной плёнки на поверхности металла) и однородного массива тонкоплёночных транзисторов из одностенных углерод­ных нанотрубок. В сочетании со струй­ной печатью металлических контактов эта технология должна обеспечить из­готовление недорогой, гибкой и растя­гивающейся электроники.

Исследователи из Центра наномате­риалов (Center for Nanoscale Materials) Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США разра­ботали самые тонкие, гибкие и прозрач­ные 2D-транзисторы в мире. Они имеют толщину 10 атомных слоёв (примерно на такую длину вырастают наши ногти за одну секунду) и имеют параметры, сравнимые с тонкоплёночными транзис­торами, производимыми сегодня для коммерческих целей. Однако в отличие от последних, эти не разрушаются при сгибании, обеспечивая стабильную ра­боту в широком диапазоне температур, что очень важно для электронных уст­ройств. По словам разработчиков, но­вая технология позволит, к примеру, увеличить прозрачность дисплеев, сде­лав их практически невидимыми (ну прямо как обычное окно, которое при включении превращается в экран).

При создании новых транзисторов исследователи использовали метод, за который Манчестерский университет был удостоен Нобелевской премии — отделение одноатомного слоя дисили­цида вольфрама с помощью липкой ленты. Поверх этого слоя учёные нарас­тили слои других материалов и получи­ли транзистор. Сейчас они хотят приме­нить эту технологию к устройствам обработки и хранения информации, что позволит создавать не только дисплеи, но также гнущиеся прозрачные телеви­зоры и компьютеры.

Согласно осторожным прогнозам, ожидается, что тенденция перехода на гибкую электронику будет ежегодно воз­растать на несколько десятков процен­тов в течение следующего десятилетия. Однако учёные и разработчики на са­мом деле надеются, что росту популяр­ности гибких электронных устройств предстоит резкий скачок, как только технологии гибких дисплеев перейдут из стадии разработки в стадию произ­водства и начнут становиться коммер­ческими продуктами. Они быстро изме­нят способ взаимодействия пользова­телей и их гаджетов, что не останется незамеченным. Собственно, уже к се­редине двадцатых годов гибкой может стать треть всей электроники. Она за­менит массивные телефоны, электрон­ные книги, планшеты и другие подоб­ные устройства. Проблема, которая су­ществовала, — адаптация процессов и материалов к гибкой электронике, се­годня уже решается. Учёные нашли способ производить гибкое стекло, печатать электронные составляющие на 3D-принтере и научились произво­дить растягивающиеся батареи.

В частности, Юнган Хуан из Северо­Западного университета (США) и Джон А. Роджерс из Университета Иллинойса (США) были первыми, кто продемон­стрировал поддающийся растяжению Li-Ion аккумулятор — гибкое устройст­во, способное питать инновационную электронику. Теперь аккумуляторы не должны быть связаны проводами с гиб­кими электронными устройствами лю­бого размера и могут использоваться где угодно, включая человеческое тело. Причём как снаружи, так и изнутри. Вживляемая электроника может управ­лять разнообразными процессами ор­ганизма, а растяжимые батареи будут незаменимы везде, где плоские, твёр­дые батареи потерпят неудачу.

Инновационное решение заключает­ся в том, чтобы использовать металлические проводные соединения, по кото­рым передаётся электроэнергия и которые являются длинными волнисты­ми волокнами, заполняющими неболь­шое пространство между составными частями батареи. Получается “пружина внутри пружины”: волокно, соединяю­щее компоненты, имеет форму боль­шой “S”, в пределах которой много маленьких “s”. Когда батарею растяги­вают, сначала растягивается и исчезает большая “S”, оставляя линию из ма­леньких. Растяжение продолжается и исчезают маленькие “s”, когда натяги­вается соединительный провод между электродами. Разработчики называют это упорядоченным распутыванием, которое позволяет батарее растяги­ваться на 300 % от её первоначального размера.

Минувшим летом Пентагон совмест­но с FlexTech Alliance (в настоящее вре­мя в него входят 162 различные компа­нии и организации, включая Apple, Boeing и Гарвардский университет) приступил к реализации проекта по со­зданию новейшего поколения электро­ники и сенсорной техники. Системы должны содержать множество различ­ных датчиков и управляющие модули, ответственные за обработку информа­ции. Перед группой разработчиков сто­ит задача создать электронные систе­мы, достаточно гибкие для того, чтобы интегрировать их непосредственно в одежду солдат. В течение следующих пяти лет будет учреждён Manufacturing Innovation Institute for Flexible Hybrid Electronics, где и будут разрабатываться

устройства, которые должны выдержи­вать растяжение, скручивание и прочие виды деформации, оставаясь пол­ностью работоспособными. Сообщает­ся, что будут разработаны “умные гиб­ридные материалы” (в том числе с по­мощью 3D-печати), содержащие слож­ную электронику для систем вооруже­ния и одежды военнослужащих, спо­собную передавать многочисленную информацию об их боевом состоянии и иные параметры.

В августе сотрудники Военно-воз­душной исследовательской лаборато­рии на авиационной базе Райт-Паттер­сон, США, сообщили, что сделали уни­кальное открытие в области гибкой электроники. Результаты исследования были представлены во время недавней конференции Американского химиче­ского общества. Новая технология поз­воляет осуществлять 3D-печать элас­тичных полупроводников на гибкой ос­нове, такой как полимерный пластик. Узлы толщиной всего в несколько нано­метров имеют предел растяжения от 30 до 100%, позволяя фактически сло­жить устройство пополам. Способность к растяжению зависит от типа электро­ники, но этот способ печати превосхо­дит по данному параметру почти все неорганические электронные компо­ненты. Согласно заявлению авторов ис­следования, область применения такой гибкой электроники поистине безгра­нична. Одним из потенциальных мето­дов её использования может стать ме­дицинский мониторинг жизнедеятель­ности пилотов. Специальная нашивка на плече лётчика соберёт данные об уровне гидратации, усталости или при­знаках когнитивного расстройства. Эта информация затем поступит на панель командования или самого пилота, по­могая предотвратить чрезвычайные ситуации. Такие датчики могут приме­няться не только в военной сфере, но также в медицинских учреждениях или на важном гражданском производстве.

Ещё одной сферой применения мо­гут стать сами самолёты военной и гражданской авиации. Небольшие элас­тичные элементы на крыльях или фюзе­ляже судна из-за своей небольшой толщины не повлияют на сопротивле­ние, но помогут получить информацию о начале деформации крыла. Гибкая электроника сможет использоваться и в качестве антенны или передатчика для связи с другими самолётами. Кроме то­го, такие элементы можно с лёгкостью убрать, поменять или заменить.

Важным преимуществом гибкой электроники в авиации является тот факт, что устройства способны выдер­жать экстремальные условия, с которы­ми регулярно сталкиваются военные пилоты. Высокая эластичность элемен­тов позволит значительно увеличить срок эксплуатации в условиях высокой механической нагрузки, такой как пере­грузки в 20.50 g или резкий перепад температур.

Одним из уникальных компонентов эластичных приборов является жидкий сплав галлия, разработанный химиком Майклом Дики из Университета Се­верной Каролины. Этот сплав имеет высокое поверхностное натяжение по аналогии с жидкой ртутью, что застав­ляет его фрагменты собираться вме­сте. При растяжении элементов мате­риал просто равномерно заполняет пустоты, поддерживая работоспособ­ность устройства. И это не последняя новость про материалы-аналоги жид­кой ртути.

Недавно группа учёных из Мичи­ганского университета разработала материал, который с помощью реактив­ной жидкости способен восстанавли­ваться после полученных повреждений. Восстановление материала происходит с помощью вещества под названием трибутилборан (tributylborane), распо­ложенного между двумя полимерными листами. Это соединение вступает в реакцию с кислородом и затвердевает, что приводит к затягиванию отверстий всего за несколько секунд. Создатели нового материала опубликовали на YouTube небольшое видео, демонстри­рующее процесс самовосстановления образца после попадания в него пули. Мы уже неоднократно указывали на подчас феноменальные предсказания фантастов, и в данном случае журна­листы сразу же нашли аналогии с вос­становлением робота Т-1000 в фильме “Терминатор-2: Судный день”.

Впрочем, разработанный американ­скими учёными материал не является уникальным, однако он выгодно отлича­ется от других самовосстанавливающихся материалов, поскольку способен значительно быстрее “залечить” полу­ченные повреждения. Благодаря этому свойству он может найти применение в космической отрасли, где, к примеру, любое повреждение оболочки корабля или скафандра представляет смертель­ную опасность.

В заключение мы не можем не ска­зать что-то о наших учёных. Компания молодых разработчиков из Новоси­бирска создала технологию производ­ства роботизированного протеза кисти, который будет втрое дешевле немецкого и в семь раз дешевле анг­лийского аналога. Самый дешёвый импортный роботизированный протез кисти сейчас производится в Германии и стоит 800 тыс. рублей. Стоимость английского варианта — от 1,8 млн рублей. Новосибирский протез будет стоить около 250 тыс. Удешевить про­изводство позволил отказ от дорого­стоящих материалов. Карбон и титан новосибирские разработчики заменили полимерами и более дешёвыми метал­лическими сплавами. В производстве используется 3D-печать. Пока протез работает за счёт остаточных мышеч­ных сокращений, однако компания разрабатывает возможность управле­ния с помощью импульсов головного мозга — иными словами, силой мысли. Что же касается силы мысли инжене­ров, то мы вынуждены констатировать, что это великая сила.

Автор: А. ГОЛЫШКО, канд. техн. наук, г. Москва