Texas Engineers entwickeln bahnbrechenden weichen Drucksensor und lösen Empfindlichkeitsprobleme bei Wearables

Die medizinische Sensortechnik hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht, insbesondere bei der Entwicklung tragbarer Geräte, die Puls, Gehirnfunktionen, Biomarker im Schweiß und vieles mehr überwachen können. Doch bei bestehenden tragbaren Drucksensoren gibt es ein großes Problem: Schon die geringste Druckeinwirkung – etwa durch ein enges Langarmshirt über dem Sensor – kann die Messwerte verfälschen.

Ingenieure der University of Texas at Austin haben dieses Problem gelöst, das das Fachgebiet seit Jahren beschäftigt. Dabei setzten sie auf einen neuartigen hybriden Sensoransatz, der dem Gerät die Eigenschaften der beiden vorherrschenden Sensortypen verleiht.

„Das Feld der flexiblen Drucksensoren ist extrem überfüllt, und nach zwei Jahrzehnten haben wir einen Flaschenhals erreicht, weil niemand den Zielkonflikt zwischen Druckbelastung und Empfindlichkeit lösen konnte“, erklärt Nanshu Lu, Associate Professor am Department of Aerospace Engineering and Engineering Mechanics. „Dies ist der erste Sensor, der einen neuen hybriden Modus nutzt, um Druck standzuhalten, ohne dass die Empfindlichkeit signifikant abnimmt.“

Funktionsweise herkömmlicher und neuer Sensoren

Weiche Drucksensoren bestehen heute grundsätzlich aus drei Schichten – einer verformbaren Sensorschicht, die zwischen zwei Elektroden eingebettet ist. Diese Sensoren lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen: piezo-kapazitive und piezo-resistive Sensoren.

Lus Team verwendete einen elektrisch leitfähigen, hochporösen Nanokomposit als Sensorschicht und fügte eine zusätzliche isolierende Schicht hinzu. Diese Kombination verleiht dem Sensor die Fähigkeiten beider Sensortypen. Genau diese neue hybride Sensormethode ermöglicht die verbesserte Druckbeständigkeit.

„Wenn wir externen Druck ausüben, sinkt die Empfindlichkeit, bleibt aber dennoch auf dem Niveau anderer Sensoren bei Null-Druck“, so Lu.

Von elektronischen Tattoos zur künstlichen Haut

Lu ist seit langem Pionierin auf diesem Gebiet, vor allem durch ihre „Electronic Tattoo“-Technologie – eine Reihe von Geräten, die so leicht und dehnbar sind, dass sie über längere Zeiträume auf Herz, Gehirn oder Muskeln platziert werden können, ohne nennenswerten Tragekomfort zu beeinträchtigen.

Nun arbeitet sie daran, das Sensormaterial so zu gestalten, dass es sich fast um jedes Objekt wickeln lässt und ihm die Empfindlichkeit menschlicher Haut verleiht. Die offensichtlichste Anwendung ist die Umhüllung robotischer Hände und Finger, um ihnen die Fähigkeit zu geben, Objekte durch Berührung zu erkennen. Doch die Möglichkeiten sind vielfältig. „Die Anwendungen könnten unbegrenzt sein“, sagt Lu. „Dehnbare E-Skin könnte sich fast um jedes Objekt legen.“