Dehnbare Sensormaterialien verbessern Elektronikleistung unter Belastung

Unsere Körper senden Heerscharen von Signalen aus – Chemikalien, elektrische Impulse, mechanische Verschiebungen – die eine Fülle von Informationen über unsere Gesundheit liefern können. Aber elektronische Sensoren, die diese Signale detektieren können, bestehen oft aus spröden, anorganischen Materialien, die sie daran hindern, sich auf der Haut oder im Körper zu dehnen und zu biegen. Jüngste Fortschritte haben dehnbare Sensoren möglich gemacht, aber ihre Formänderungen können die produzierten Daten beeinflussen, und viele Sensoren können die schwächsten Signale des Körpers nicht sammeln und verarbeiten.

Ein neues Sensordesign integriert ein gemustertes Material, das die Dehnungsverteilung unter Transistoren optimiert und dehnbare Elektronik schafft, die weniger durch Deformation beeinträchtigt wird. Die Forscher erstellten auch mehrere Schaltungselemente mit dem Design, was zu noch mehr Arten dehnbarer Elektronik führen könnte.

Um die Elektronik zu designen, nutzten die Forscher ein gemustertes Dehnungsverteilungs-Konzept. Bei der Erstellung des Transistors verwendeten sie Substrate aus Elastomer – einem elastischen Polymer. Sie variierten die Dichte der Elastomerschichten, was bedeutet, dass 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 Transistor-Arrays, die fast die gleiche elektrische Leistung aufwiesen, wenn sie gedehnt und gebogen waren, wie im undeformierten Zustand. Tatsächlich hatten sie weniger als fünf Prozent Leistungsvariation bei Dehnung von bis zu 100 Prozent. Das Team nutzte das Konzept auch, um andere Schaltungsteile zu designen und zu fertigen, einschließlich NOR-Gatter, Ringoszillatoren und Verstärker. NOR-Gatter werden in digitalen Schaltungen verwendet, während Ringoszillatoren in Radio-Frequency-Identification (RFID)-Technologie eingesetzt werden. Indem sie diese Teile erfolgreich dehnbar machten, konnten die Forscher noch komplexere Elektronik erstellen.

Der von ihnen entwickelte dehnbare Verstärker gehört zu den ersten hautähnlichen Schaltungen, die in der Lage sind, schwache elektrophysiologische Signale – bis hinunter zu wenigen Millivolt – zu verstärken. Das ist wichtig für das Sensieren der schwächsten Körpersignale wie die von Muskeln. Die Signale können direkt auf der Haut verarbeitet und verstärkt werden.

Das Design wird als diagnostisches Werkzeug für ALS bewertet. Durch Messen von Signalen aus Muskeln hoffen die Forscher, die Krankheit besser zu diagnostizieren und gleichzeitig Wissen darüber zu gewinnen, wie die Krankheit den Körper beeinflusst. Sie hoffen auch, das Design in Elektronik zu testen, die im Körper implantiert werden kann, und Sensoren für alle Arten von Körpersignalen zu erstellen.