Stretchable electronics using wood-based functional materials

Stretchable electronics allows for direct integration into deforming systems like clothing, skin, and tissue, thereby enabling novel applications in soft robotics, wearable electronics, health monitoring, therapeutics, and human-machine interfaces. However, achieving seamless integration with the human body poses significant challenges, necessitating the development of functional materials with a low Young’s modulus matching biological tissues to avoid any discomfort or immune response. Additionally, as electronic devices are becoming increasingly used in different settings, accumulation of electronic waste, and the utilization of unsustainable raw materials are emerging as pressing environmental challenges. Therefore, it is important that the design and fabrication of these devices consider not only high performance, but also its environmental sustainability. Therefore the focus of this thesis is on enhancing the performance and sustainability aspects of stretchable electronics through using renewable wood-based functional wood-based materials in 4 papers. Paper I focuses on the development of versatile soft electromagnetic actuators for soft robotic applications. These stretchable electromagnetic actuators were capable of contraction, expansion, hopping, and locomotion without the need for external magnetic fields. By embedding strain sensors made of conductive cellulose nanofibril (CNF)-based foam, the actuators could internally monitor their states, enhancing their controllability and autonomy. In Paper II, a soft haptic system was designed to stimulate the sense of touch. The haptic system was based on a soft electromagnetic actuator concept that included a soft magnet and stretchable conducting composite consisting of silver flakes and a styrene elastomer. The system demonstrated an improved tactile response enabled by vibration amplitude sensing through conductive CNF-based foams. This novel design offers potential applications in human–machine interface
Töjbar elektronik möjliggör direkt integrering av elektronik i system som ändrar form, så som kläder, hud och vävnad, vilket möjliggör nya tillämpningar inom mjuk robotik, bärbar elektronik, hälsoövervakning, terapi och gränssnitt mellan människa och maskin. Att uppnå sömlös integration med människokroppen innebär betydande utmaningar, vilket kräver utveckling av mjuka funktionella material som matchar mjukheten i biologiska vävnader för att undvika obehag eller immunsvar. Vidare, eftersom elektroniska enheter blir alltmer använda i olika miljöer, uppstår miljöproblem med ansamling av elektroniskt avfall samt utnyttjande av icke hållbara naturresurser. Därför är det viktigt att designen och tillverkningen av elektronik inte bara tar hänsyn till hög prestanda, utan även dess miljömässiga hållbarhet. Denna avhandling utforskar töjbar elektronik innehållande förnybara träbaserade funktionella material för detta ändamål. Artikel I fokuserar på utvecklingen av mångsidiga mjuka elektromagnetiska ställdon för mjuk robotik. Dessa töjbara elektromagnetiska ställdon var kapabla till mångsidig rörelse utan behov av externa magnetfält. Genom att bädda in sensorer gjorda av ledande cellulosa nanofibril (CNF)-baserat skum, kunde ställdonen internt känna av deras tillstånd, vilket förbättrade deras kontrollerbarhet och autonomi. I artikel II designades ett mjukt haptiskt system för att stimulera känseln. Det haptiska systemet bygger vidare på det utvecklade mjuka elektromagnetiska manöverdonskonceptet som beskrivs i papper I genom att inkludera en mjuk magnet och en utvecklad mjuk töjbar ledande komposit. Systemet visade en förbättrad taktil respons som möjliggjordes av en vibrationsamplitudsensor baserad på ledande CNF-baserade skum. Denna nya design erbjuder potentiella tillämpningar i gränssnitt mellan människa och maskin och för virtuella verklighet. Artikel III presenterar ett skalbart tillvägagångssätt för tillverkning av ultramjuka högupplösta flerlagers sträckbara kr
Funding: Knut and Alice Wallenberg (KAW) Foundation.2024-04-12: The thesis was first published online. The online published version reflects the printed version.2024-05-08: The thesis was updated with an errata list which is also downloadable from the DOI landing page. Before this date the PDF has been downloaded 88 times.