Biokraftstoff-betriebenes E-Skin: Schweiß-getriebene Mensch-Maschine-Schnittstelle

Forscher haben elektronische Haut (E-Skin) entwickelt, die direkt auf die echte Haut aufgebracht wird. Hergestellt aus weichem, flexiblem Gummi, kann sie mit Sensoren eingebettet werden, die Informationen wie Herzfrequenz, Körpertemperatur, Blutzuckerwerte und metabolische Nebenprodukte überwachen, die Indikatoren für Gesundheit sind, sowie Nervensignale, die Muskeln steuern. Sie tut dies ohne die Notwendigkeit einer Batterie, da sie ausschließlich mit Biobrennstoffzellen läuft, die von einem der eigenen Abfallprodukte des Körpers angetrieben werden.

Menschlicher Schweiß enthält sehr hohe Mengen des chemischen Laktats, eine Verbindung, die als Nebenprodukt normaler Stoffwechselprozesse entsteht, besonders durch Muskeln während des Trainings. Die in das E-Skin eingebauten Brennstoffzellen absorbieren dieses Laktat und kombinieren es mit Sauerstoff aus der Atmosphäre, wodurch Wasser und Pyruvat, ein weiteres Stoffwechselnebenprodukt, erzeugt werden. Während sie arbeiten, erzeugen die Biobrennstoffzellen genug Strom, um Sensoren und ein Bluetooth-Gerät zu betreiben, ähnlich dem, das ein Telefon mit einem Autoradio verbindet, sodass das E-Skin Messwerte seiner Sensoren drahtlos übertragen kann.

Während Nahfeldkommunikation ein gängiger Ansatz für viele batterielose E-Skin-Systeme ist, konnte sie nur für Energieübertragung und Datenauslesung über sehr kurze Distanzen verwendet werden. Bluetooth-Kommunikation verbraucht mehr Energie, ist aber ein attraktiverer Ansatz mit erweiterter Konnektivität für praktische medizinische und robotische Anwendungen.

Eine Stromquelle zu entwickeln, die mit Schweiß laufen konnte, war nicht die einzige Herausforderung bei der Erstellung des E-Skins. Es musste auch lange mit hoher Leistungsintensität und minimaler Degradation halten. Die Biobrennstoffzellen bestehen aus Kohlenstoffnanoröhren, imprägniert mit einem Platin/Kobalt-Katalysator und einem Kompositnetz, das ein Enzym hält, das Laktat abbaut. Sie können kontinuierliche, stabile Leistungsabgabe (so hoch wie mehrere Milliwatt pro Quadratzentimeter) über mehrere Tage in menschlichem Schweiß erzeugen.

Nächste Schritte sind die Entwicklung einer Vielzahl von Sensoren, die in das E-Skin eingebettet werden können, damit es für mehrere Zwecke verwendet werden kann. Zusätzlich zu einem tragbaren Biosensor kann dies eine Mensch-Maschine-Schnittstelle sein – die Vitalzeichen und molekularen Informationen, die mit dieser Plattform gesammelt werden, könnten verwendet werden, um nächste-Generation-Prothesen zu entwerfen und zu optimieren.