Sensormaterial ermöglicht es dehnbarer Elektronik, unter Belastung besser zu funktionieren

Unser Körper sendet eine Vielzahl von Signalen aus – Chemikalien, elektrische Impulse, mechanische Verschiebungen – die eine Fülle von Informationen über unsere Gesundheit liefern können. Aber elektronische Sensoren, die diese Signale erkennen können, bestehen oft aus sprödem, anorganischem Material, das verhindert, dass sie sich auf der Haut oder im Körper dehnen und biegen. Jüngste Fortschritte haben dehnbare Sensoren möglich gemacht, aber ihre Formänderungen können die erzeugten Daten beeinflussen, und viele Sensoren können die schwächsten Signale des Körpers nicht erfassen und verarbeiten.

Ein neues Sensordesign enthält ein gemustertes Material, das die Spannungsverteilung zwischen den Transistoren optimiert und eine dehnbare Elektronik schafft, die weniger durch Verformung beeinträchtigt wird. Die Forscher erstellten auch mehrere Schaltungselemente mit dem Design, was zu noch mehr Arten von dehnbarer Elektronik führen könnte.

Um die Elektronik zu entwerfen, verwendeten die Forscher ein gemustertes Dehnungsverteilungskonzept. Bei der Herstellung des Transistors verwendeten sie Substrate aus Elastomer – einem elastischen Polymer. Sie variierten die Dichte der Elastomerschichten, sodass einige weicher blieben, während andere steifer, aber dennoch elastisch waren. Die steiferen Schichten – von den Forschern „elastiff“ genannt – wurden für die aktiven elektronischen Bereiche verwendet.

Das Ergebnis waren Transistorarrays, die nahezu die gleiche elektrische Leistung hatten, wenn sie gedehnt und gebogen wurden, als wenn sie unverformt waren. Tatsächlich hatten sie weniger als fünf Prozent Leistungsabweichung, wenn sie mit bis zu 100 Prozent Dehnung gedehnt wurden. Das Team nutzte das Konzept auch, um andere Schaltungsteile zu entwerfen und herzustellen, darunter NOR-Gatter, Ringoszillatoren und Verstärker. NOR-Gatter werden in digitalen Schaltungen verwendet, während Ringoszillatoren in der Hochfrequenz-Identifikationstechnologie (RFID) verwendet werden. Indem diese Teile erfolgreich dehnbar gemacht wurden, konnten die Forscher sogar noch komplexere Elektronik herstellen.

Der von ihnen entwickelte dehnbare Verstärker gehört zu den ersten hautähnlichen Schaltkreisen, die in der Lage sind, schwache elektrophysiologische Signale zu verstärken – bis hinunter zu einigen Millivolt. Das ist wichtig, um die schwächsten Signale des Körpers wie die von Muskeln zu erfassen. Die Signale können direkt auf der Haut verarbeitet und verstärkt werden.

Das Design wird als diagnostisches Instrument für ALS bewertet. Durch die Messung von Signalen von Muskeln hoffen die Forscher, die Krankheit besser diagnostizieren zu können und gleichzeitig Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie sich die Krankheit auf den Körper auswirkt. Sie hoffen auch, das Design von Elektronik zu testen, die in den Körper implantiert werden kann, und Sensoren für alle Arten von Körpersignalen zu entwickeln.