Классическая научно-фантастическая литература для современного читателя является прекрасным инструментом взглянуть на то, как писатели прошлого представляли себе технологии будущего. Многое из того, что считалось футуризмом, для нас стало обыденной реальность. Некоторые технологии пока не обрели финальную форму, но работа над ними неутомимо идет к этому. Среди таких технологий особое место занимает дополненная реальность (augmented reality или AR). Реализация AR сопряжена с рядом трудностей, в том числе и в проектировании работоспособного и удобного носимого устройства. Ученые из Ульсанского национальный институт науки и технологий (Ульсан, Южная Корея) решили, что громоздкие шлемы и странные очки это пережиток прошлого, будущее за умными линзами. Из чего были сделаны линзы дополненной реальности, какова схема их работы, и какими функциями они обладают? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Если коротко, то дополненная реальность (augmented reality или AR) это своеобразный гибрид виртуальной (virtual reality или VR) и реальной реальности (простите за тавтологию). В виртуальной реальности пользователь видит перед собой полностью генерированное окружение, а в дополненной — сама реальность дополняется определенными элементами.

Реализуется AR обычно с помощью носимых устройств, напоминающий очки (Apple Glass, Microsoft Hololens, Google Glass и Magic Leap и т. д.). Такие очки обладают целым рядом недостатков, от громоздкости до привязки к внешнему источнику питания. Как и в офтальмологии, альтернативой умным очкам могут быть умные линзы. Этот очевидный вывод был сделан довольно давно, а потому разработки в этой области проводились весьма усердно, ведь речь идет не только об эффективности самого устройства, но и комфорте/безопасности пользователя. К примеру, в одном исследовании ученые нанесли графен на контактную линзу, чтобы предотвратить попадание электромагнитных волн в глаз, тем самым предотвратив обезвоживание глаза. В другом труде в линзу удалось интегрировать антенну, интегральную микросхему и светодиод, а затем дистанционно этот диод включить. Компания Google разработала электрические контактные линзы, которые отслеживают уровень глюкозы в слезах пациентов с диабетом и передают данные по беспроводной связи на другие устройства. Недавно компания Mojo Vision продемонстрировала прототип умной контактной линзы дополненной реальности, интегрированной с электронными элементами и микро-светодиодным дисплеем (0.5 мм в диаметре / 14000 пикселей на дюйм).

Суть контактных линз в том, что они постоянно теряются. Если же серьезно, то такое устройство должно быть не только работоспособным и удобным, но и недорогим, а также легко производимым. Электрохромные (EC от electrochromic) материалы могут стать ключом к простой и недорогой реализации дисплеев на контактных линзах. Низкий потенциал постоянного тока, приложенный к простой ячейке, состоящей из прозрачной проводящей подложки, электролита и EC материалов, вызывает электрохимические реакции восстановления и окисления, которые вызывают обратимые изменения цвета EC материалов.

Берлинская лазурь (PB от prussian blue) является одним из самых привлекательных EC материалов из-за его однородной окраски, быстрой кинетики, высокого оптического контраста, нескольких цветовых состояний (синий, белый, зеленый), экологичности и небольшой стоимости. В одном из ранее проведенных исследований ученым удалось создать простой мигающий дисплей на контактной линзе, используя гальваническое покрытие PB. Система мигания на основе PB, способная отображать азбуку Морзе, была создана с использованием обратимого перехода между PB и берлинской белизной (PW от prussian white). Однако этот метод плохо работает с отображением слов или изображений из-за сложности нанесения PB микрорисунка на контактную линзу.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые разработали простую стратегию реализации PB микрорисунка, основанную на мениск* печати с использованием кислотно-железо-феррицианидных чернил, состоящих из FeCl₃, K₃Fe(CN)₆ и HCl.

Мениск* — вогнуто-выпуклая или выпукло-вогнутая линза, ограниченная двумя сферическими поверхностями.

Результаты исследования

Изображение №1

На 1a показана схема двухэтапного процесса печати PB:

• печать кристаллов FeFe(CN)₆ по мениску;
• термическое восстановление напечатанного FeFe(CN)₆ для получения PB (Fe₄[Fe(CN)₆]₃).

Мениск кислотно-железо-феррицианидных чернил формировался на ITO (оксид индия-олова) подложке, когда микропипетка, заполненная чернилами, и подложка вступали в контакт. Гетерогенная кристаллизация FeFe(CN)₆ происходила на подложке в пределах мениска за счет самопроизвольных реакций ионов-предшественников (Fe³⁺ и Fe(CN)^3–) при комнатной температуре. Одновременно происходило испарение растворителя на поверхности мениска.

Когда вода испарялась из мениска, молекулы воды и ионы-предшественники перемещались к поверхности мениска конвективным потоком, вызывая преимущественное накопление ионов-предшественников во внешней части мениска. Это явление вызывало усиление кристаллизации FeFe(CN)₆ по краям. Это имеет решающее значение для контроля факторов, влияющих на кристаллизацию FeFe(CN)₆ на этапе печати, для получения однородно напечатанных PB рисунков на подложке. Регулировка параметров печати, а именно концентрации (C_s), скорости печати (ν_p) и внутреннего диаметра пипетки (ID) позволило получить однородные напечатанные линии (1a). Желтая FeFe(CN)₆ линия затем была преобразована в синюю PB линию посредством термической обработки в течение 9 секунд при 120 °C. Ионы трехвалентного железа (Fe³⁺) термически восстанавливались до ионов двухвалентного железа (Fe²⁺) за счет получения электронов от кислородных групп, присоединенных к ITO подложке, и молекул воды в вакансиях и междоузлиях решетки FeFe(CN)₆. Кислотно-железо-феррицианидные чернила демонстрировали разные цвета в зависимости от значений C_s: 2.5, 5, 7.5 и 10 мМ (1b).

На 1c показано влияние различных значений C_s и времени осаждения (T_D) при фиксированном зазоре между пипеткой и подложкой (6 мкм) на характеристики осажденного и термически восстановленного PB. Отложение PB с усиленным краем четко наблюдалось для всех значений T_D при C_s = 2.5 мМ. При более высокой концентрации (C_s = 10 мМ) и увеличении T_D до 15 секунд рабочая область практически равномерно заполнялась PB. Эти результаты показывают, что более длительное время кристаллизации и большее количество ионов-предшественников способствовали более плотному отложению FeFe(CN)₆ в мениске.

На 1d представлен процесс печати с мениском: приближение, контакт, формирование мениска и печать. Микропипетка с внутренним диаметром 30 мкм, заполненная чернилами (C_s = 5 мМ), аккуратно приближалась к ITO подложке. После контакта между отверстием пипетки и подложкой образовывался мениск чернил за счет движения пипетки вверх. На этапе печати точное горизонтальное движение (ν_p = 5 мкм/с) пипетки позволило сформировать однородную линию FeFe(CN)₆ посредством непрерывного осаждения. Чернила с низкой вязкостью демонстрировали ньютоновское поведение. Это указывает на то, что поток ионов-предшественников не вызывал засорения пипетки во время печати (1e). Ньютоновские чернила также способствовали постоянному формированию мениска на плоской (даже неплоской) поверхности за счет точного управления пипеткой по трем осям, обеспечивая конформную печать.

Микроструктуру и состав термически восстановленной PB линии анализировали с помощью автоэмиссионной сканирующей электронной микроскопии (FE-SEM от field emission scanning electron microscopy) с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией (EDX от energy dispersive X-ray spectroscopy) (1f). На снимках FE-SEM видно, что PB линия напечатана равномерно, а нано- и микрочастицы полностью покрывают напечатанную PB линию (вставка на 1f). Эти частицы являются хлоридом калия (KCl), образованным в результате побочной реакции в процессе печати. Рамановская спектроскопия (1g) также подтвердила успешное формирование напечатанного PB.


Изображение №2

На 2a показаны снимки напечатанных PB линий с различными значениями C_s (2.5, 5, 7.5 и 10 мМ) и ν_p (5, 10, 15 и 20 мкм/с) с использованием ID 30 мкм. При C_s = 10 мМ однородные PB линии были напечатаны при трех различных значениях ν_p: 5, 10 и 15 мкм/с. Это означает, что имеется достаточное количество ионов-предшественников и время кристаллизации для непрерывной печати. Однако при увеличении ν_p до 20 мкм/с в напечатанной линии появлялись незаполненные участки. Уменьшение C_s привело к уменьшению скорости печати, способной создавать равномерные линии, которая определяется как пороговая скорость (ν_t). Когда C_s уменьшился с 7.5 до 5 мМ, ν_t также уменьшилась с 10 до 5 мкм/с. При C_s = 2.5 мМ во всех диапазонах ν_p образовывались дискретные линии с многочисленными незаполненными областями из-за отсутствия ионов-предшественников в мениске.

На 2b показана зависимость печати PB от соотношения между ν_p и C_s на основе экспериментальных результатов (2a). Пунктирная линия показывает, что ν_t увеличивается с C_s. Сплошные круги (№1–6) обозначают непрерывное осаждение без незаполненных участков при ν_p < ν_t. Полузакрашенные и полые круги указывают на наличие незаполненных участков и сбой печати при ν_p > ν_t.

Толщина и шероховатость поверхности (R_a) пронумерованных линий PB (1-6 на 2a) были исследованы количественно с использованием конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (CLSM от confocal laser scanning microscopy), чтобы охарактеризовать морфологию напечатанной PB линии (2c и 2d).

Более низкое значение ν_p и более высокое значение C_s приводили к увеличению толщины напечатанных линий PB. При ν_p 5 мкм/с толщина линии №1 (≈ 0.467 мкм, C_s = 10 мМ) была больше, чем линии №6 (≈ 0.227 мкм, C_s = 5 мМ) из-за относительно большего запаса ионов-предшественников в процессе печати. Большее время кристаллизации линии №1 (ν_p = 5 мкм/с) давало большую толщину, чем линии №3 (≈ 0.157 мкм, ν_p = 15 мкм/с) при одинаковом значении C_s 10 мМ. R_a линии №4 (C_s = 7.5 мМ и ν_p = 5 мкм/с), №5 (C_s = 7.5 мМ и ν_p = 10 мкм/с) и 6 (C_s = 5 мМ и ν_p = 5 мкм/с) составляли 0.162, 0.150 и 0.064 мкм соответственно (2d). В результате сравнения всех вышеописанных комбинаций для дальнейшего исследования были выбраны условия печати линии №6.


Изображение №3

На 3a-3d показано, что ширину напечатанной линии можно регулировать, контролируя размер мениска с помощью внутреннего диаметра пипетки (ID) 30, 20, 10 или 2 мкм. Ширина линии уменьшилась с 61.3 до 17.3 мкм при уменьшении ID с 30 до 10 мкм (3a-3c). Сам процесс печати был основан на линии №6, описанной выше (C_s = 5 мМ и ν_p = 5 мкм/с). Чрезмерная кристаллизация в мениске была подавлена путем уменьшения значений C_s до 1 мМ и ν_p до 1 мкм/с. В результате была напечатана однородная и равномерная линия шириной 7.2 мкм (3d). На 3e и 3f показаны напечатанные PB рисунки: буквы «UST» и «UNIST» (3e); достопримечательности (3f). Размер последних был в 20 раз меньше монетки в 1 цент США.

Свойства напечатанного PB рисунка, такие как однородность окраски, стабильность и емкость, были исследованы с помощью циклической вольтамперометрии (CV от cyclic voltammetry). Для CV испытаний линии длиной 1500 мкм (условия печати линия №6, ID 30 мкм) были напечатаны на ITO стекле.


Изображение №4

На 4a показаны результаты CV, измеренные во втором цикле в четырех различных условиях электролита KCl 0.1 M (pH 2 и 4) и 1 M (pH 2 и 4) в диапазоне потенциалов -0.2...0.5 В в зависимости от Ag/AgCl (скорость сканирования 20 мВ/с). На всех кривых CV наблюдались четкие окислительно-восстановительные пики, указывающие на введение и извлечение ионов K⁺. По мере увеличения концентрации KCl в электролите с 0/1 М до 1 М потенциал окислительно-восстановительных пиков смещался к более высокому значению из-за увеличения реактивных (внедрение/извлечение) ионов К⁺ в качестве окислителей в окислительно-восстановительной реакции. Кроме того, снижение рН электролита привело к увеличению реакционной способности электролита, что способствовало увеличению пиковой плотности тока.

На 4b напечатанная PB линия была обратимо преобразована в берлинскую белизну (PW) в диапазоне потенциалов от -0.2...0.5 В по сравнению с Ag/AgCl в 1 М электролите (pH 2) (видео №1).

Видео №1

Дальнейшее приложение положительного потенциала привело к окислению PB до берлинской зелени (PG от Prussian green), которая представляет собой растворимую и нестабильную фазу (видео №2).

Видео №2

Числа на графиках указывают на этап последовательности сканирования в тесте CV. Пронумерованные снимки показывают изменение цвета рисунка в том же пронумерованном состоянии. При -0.2 В цвет линии был полностью белым (PW) (①). По мере увеличения потенциала до 0.5 В цвет постепенно менялся на синий, указывая на переход от PW к PB (④). Возврат потенциала к -0.2 В вызывал успешный переход PB (④) обратно в PW(⑦).

На 4c представлены кривые CV (2-й, 50-й, 100-й, 150-й и 200-й циклы) PB линии в KCl электролитах 1 М (рН 2 и 4) и 0.1 М KCl (рН 2 и 4). По мере увеличения числа циклов в 1 М электролите (рН 2) площадь CV кривых и величина окислительно-восстановительного пика быстро уменьшались. Это указывает на то, что решеточная структура PB может быть легко разрушена ионами К⁺ как основного компенсатора заряда и избыточными ионами Н⁺ при их внедрении (извлечении) в (из) напечатанной PB линии. После 200-го цикла цвет PB линии тускнел. В электролите 0.1 М (pH 2) пониженная концентрация KCl привела к более медленному разложению линии в течение 200 циклов из-за снижения концентрации ионов K⁺.

Кривые CV на двух правых графиках на 4c показывают влияние pH на обратимое поведение линии. В электролите 0.1 М (pH 4) площадь CV кривых и величина окислительно-восстановительного пика постоянно поддерживались в течение 200 циклов, что приводило к обратимости состояния напечатанной линии (видео №3).

Видео №3

Было установлено, что подкисленный раствор KCl в целом повышает долговечность PB, но избыток ионов Н⁺ скорее разрушает решетчатую структуру PB. Оптимальное количество ионов Н⁺ в электролите с рН 4 предотвращает повреждение решетчатой структуры, тем самым демонстрируя стабильную повторяемость и изменение цвета.

На 4d показана извлекаемая и вносимая зарядовая емкость напечатанных линий в зависимости от количества циклов CV, рассчитанная на основе данных из 4c. Изменение зарядовой емкости было минимальным в электролите с концентрацией Kcl в 0.1 M (pH 4). Это указывает на то, что характеристики PB устойчивы во время циклов CV. Относительно низкой плотности тока в электролите 0.1 M (pH 4) было достаточно, чтобы вызвать электрохромизм напечатанного рисунка PB и сохранить его характеристики.


Изображение №5

На 5a представлена схема EC-дисплея (электрохромного) на основе PB с функцией навигации, встроенного в контактную линзу с дополненной реальностью, которая показывает пользователю направление к месту назначения на EC-дисплее, получая GPS-координаты в режиме реального времени. Стрелки направления (прямо, влево и вправо) и знаки (GO и STOP) появляются на основе информации о широте и долготе от GPS с помощью запрограммированной логики для управления приложенным напряжением между противоэлектродом (CE от counter electrode) и пятью рабочими электродами (WE от working electrode).

Контактная линза из гидрогеля со встроенным EC-дисплеем была помещена на реплику глазного яблока, напечатанную на 3D-принтере (5b). Электролит KCl 0.1 М (pH 4) размещался во внутреннее пространство между дисплеем и линзой. Изображения PB рисунков и внешняя среда были получены вместе через отверстие в зрачке реплики глазного яблока. Модуль захвата изображений был установлен для получения визуальных данных in situ (на месте) во время работы умной контактной линзы (5c).

На 5d показаны схемы управления четырьмя типами указания направления, используемых в навигационных системах. Первые данные (Case 1) показывают, как включить стрелку вперед и рисунок «GO», когда все сегменты находятся в состоянии OFF. В то время как приложенное напряжение 0.5 В привело к тому, что стрелка вверх и рисунок «GO» стали синими, -0.2 В постоянно подается на сегменты в состоянии OFF. При переключении с Case 1 на Case 2 приложенное напряжение на схеме «GO» поддерживается на уровне 0.5 В. Стрелка вперед переходит в состояние OFF, когда приложенное напряжение изменяется от 0.5 до -0.2 В. В то же время цвет стрелки влево меняется на синий с помощью 0.5 В. Для остальных шаблонов в выключенном состоянии приложенное напряжение поддерживается постоянным на уровне -0.2 В.

Переход между PB и PW является важным показателем для оценки времени отклика дисплея. Время отклика было измерено путем модуляции значений длительности (0.1 с, 0.25 с, 0.5 с и 0.75 с) при переменном потенциале -0.2 В и 0.5 В в тесте хроноамперометрии. Дисплей демонстрировал стабильное мигание даже при 0.1 с, что позволяет быстро доводить информацию до пользователей (видео №4).

Видео №4

В вышеописанной демонстрации время включения/выключения было установлено на 1 с и 2 с соответственно (видео №5).

Видео №5

На 5e представлен реальный маршрут движения, 10 контрольных точек и изображения указателей направления в пяти точках. Было сделано пять снимков, когда включенное состояние в режиме мигания работало с 2-секундным включенным и 1-секундным выключенным состоянием. Когда во время полевых испытаний (видео №6) автомобиль двигался, меняющийся пейзаж и сигналы указателей поворота хорошо совпадали и были четко представлены пользователю. В общей сложности было пройдено 83 участка координат от начальной до конечной точки, а дисплей контактной линзы показал стабильную воспроизводимость изменения цвета без заметного ухудшения производительности.

Видео №6

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые представили свою разработку — умная контактная линза, оснащенная дисплеем дополненной реальности, который мог в режиме реального времени отображать навигационные подсказки пользователю в виде цветных стрелок.

Для создания подобного чуда техники ученые использовали электрохромные материалы, в частности Берлинскую лазурь (PB от prussian blue), которая обладает однородной окраской, несколькими состояниями цвета (синий, белый и зеленый), высокой экологичностью и низкой стоимостью. Проблема была в том, что в классических методах создания электрохромных дисплеев с помощью PB достичь отображения слов и символов сложно. Потому ученые разработали новый метод менисковой печати кислотно-железо-феррицианидными чернилами, состоящими из FeCl₃, K₃Fe(CN)₆ и HCl. В качестве основы, на которую наносился материал, было использовано ITO стекло, однако в будущем его можно заменить на любой другой гибкий материал, который подойдет для комфортного использования устройства человеком.

Данная разработка является важным шагом в реализации устройств дополненной реальности, которые будут эффективно работать, комфортно носится и не выглядеть как реквизит из фильма «Джонни Мнемоник». Подобного рода разработки могут быть крайне полезны в самых разных сферах жизни человека, от медицины и инженерии до индустрии развлечений.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?