3D-gedruckte intelligente Kontaktlinsen für Augmented-Reality-Navigation

Forscher des Korea Electrotechnology Research Institute (KERI) und des Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) haben eine ” Core Technology ” für 3D-gedruckte intelligente Kontaktlinsen entwickelt, die auf Monochrom-Displays mit geringem Stromverbrauch aufbauen, und ihre Funktionen für Augmented-Reality-Tools wie Live-Navigation demonstriert. Die Forschungsergebnisse des Teams wurden in Advanced Science veröffentlicht.

Das Smart 3D Printing Research Team von Dr. Seol Seung-Kwon am KERI und das Team von Professor Lim-Doo Jeong am Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) haben eine Kerntechnologie für intelligente Kontaktlinsen entwickelt, die Augmented Reality (AR)-basierte Navigation mit einem 3D-Druckverfahren umsetzen können.

Eine intelligente Kontaktlinse ist ein Produkt, das wie eine normale Linse auf das menschliche Auge aufgesetzt wird und verschiedene Informationen liefert. Die Forschung an der Linse konzentriert sich hauptsächlich auf die Diagnose und Behandlung von Krankheiten. Seit kurzem entwickeln Google und andere Unternehmen intelligente Kontaktlinsen für Displays, die AR implementieren können. Dennoch gibt es viele Hindernisse für die Kommerzialisierung, die auf große technische Herausforderungen zurückzuführen sind.

Für die Umsetzung von AR mit intelligenten Kontaktlinsen eignen sich elektrochrome1) Displays, die mit geringem Strom betrieben werden können, und die Farbe “Pure Prussian Blue”, die sich durch eine hohe preisliche Wettbewerbsfähigkeit und einen schnellen Kontrast und Übergang zwischen den Farben auszeichnet, zieht als Material für die Linse die Aufmerksamkeit auf sich. In der Vergangenheit wurde die Farbe jedoch in Form eines Films mit Hilfe des elektrischen Beschichtungsverfahrens2) auf das Substrat aufgetragen, was die Produktion von fortschrittlichen Displays, die verschiedene Informationen (Buchstaben, Zahlen, Bilder) darstellen können, einschränkte.”

Die Errungenschaft von KERI-UNIST liegt in der Tatsache, dass es sich um eine Technologie handelt, die AR durch das Drucken von Mikromustern auf ein Linsen-Display mit einem 3D-Drucker ohne Anlegen von Spannung realisieren kann. Der Schlüssel dazu ist der Meniskus der verwendeten Tinte. Der Meniskus ist ein Phänomen, bei dem sich an der Außenwand eine gekrümmte Oberfläche bildet, ohne dass Wassertröpfchen aufgrund der Kapillarwirkung platzen, wenn Wassertröpfchen mit einem bestimmten Druck leicht gedrückt oder gezogen werden.

Preußischblau kristallisiert durch Verdunstung des Lösungsmittels in dem Meniskus, der sich zwischen der Mikrodüse und dem Substrat bildet. Der Meniskus der sauren Ferricyanid-Tinte bildet sich auf dem Substrat, wenn die mit Tinte gefüllte Mikrodüse und das Substrat in Kontakt kommen. Die heterogene Kristallisation von FeFe(CN)6 erfolgt auf dem Substrat innerhalb des Meniskus durch spontane Reaktionen der Vorläufer-Ionen (Fe3+ und Fe(CN)3-) bei Raumtemperatur. Gleichzeitig findet an der Oberfläche des Meniskus eine Verdampfung des Lösungsmittels statt. Wenn Wasser aus dem Meniskus verdampft, bewegen sich die Wassermoleküle und die Vorläuferionen durch Konvektionsströmung in Richtung der Meniskusoberfläche, was zu einer bevorzugten Ansammlung der Vorläuferionen im äußeren Teil des Meniskus führt. Dieses Phänomen führt zu einer kantenverstärkten Kristallisation von FeFe(CN)6; dies ist entscheidend für die Steuerung der Faktoren, die die Kristallisation von FeFe(CN)6 im Druckschritt beeinflussen, um gleichmäßig gedruckte PB-Muster auf einem Substrat zu erhalten. Wie bei der konventionellen Galvanisierung musste das Substrat beim Anlegen der Spannung leitend sein. Ein großer Vorteil der Nutzung des Meniskusphänomens ist jedoch, dass es keine Beschränkung für das Substrat gibt, das verwendet werden kann, da die Kristallisation durch die natürliche Verdunstung des Lösungsmittels erfolgt.

Durch die präzise Bewegung der Düse wird die Kristallisation von Preußischblau kontinuierlich durchgeführt, wodurch Mikromuster gebildet werden. Die Muster können nicht nur auf ebenen, sondern auch auf gekrümmten Oberflächen gebildet werden. Die vom Forschungsteam entwickelte Mikromustertechnologie ist sehr fein (7,2 Mikrometer) und kann für intelligente Kontaktlinsen-Displays für AR verwendet werden.

Der wichtigste erwartete Anwendungsbereich ist die Navigation. Durch einfaches Tragen einer Linse entfaltet sich die Navigation durch AR vor den Augen einer Person. Spiele wie das beliebte “Pokemon Go” können auch mit intelligenten Kontaktlinsen und nicht mit Smartphones gespielt werden.

Dr. Seol Seung-Kwon von KERI sagte: “Unsere Errungenschaft ist die Entwicklung einer 3D-Drucktechnologie, mit der funktionale Mikromuster auf nicht-planarem Substrat gedruckt werden können, um fortschrittliche intelligente Kontaktlinsen für AR zu kommerzialisieren.” Er fügte hinzu: “Es wird einen großen Beitrag zur Miniaturisierung und Vielseitigkeit von AR-Geräten leisten.”

Die diesbezüglichen Forschungsergebnisse wurden kürzlich als Cover-Artikel in Advanced Science (IF 17.521/JCR 4.71%), einer weltweit anerkannten akademischen Fachzeitschrift im Bereich der Materialwissenschaften, in Anerkennung ihrer Exzellenz veröffentlicht.

Das Forschungsteam ist davon überzeugt, dass dieser Erfolg die Aufmerksamkeit von Unternehmen aus den Bereichen Batterien und Biosensoren, die eine Mikrostrukturierung von Preußischblau erfordern, sowie aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz auf sich ziehen wird, und plant, entsprechende Nachfrageunternehmen zu finden und den Technologietransfer zu fördern.

Das KERI ist ein staatlich finanziertes Forschungsinstitut, das dem Nationalen Forschungsrat für Wissenschaft und Technologie des Ministeriums für Wissenschaft und IKT untersteht. Dr. Seol Seung-Kwon ist auch Professor am KERI-Campus der University of Science and Technology (UST).

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