Unsichtbare, umweltfreundliche, auf der Haut montierte Sensoren, inspiriert von Spinnenseide

Andrew Corselli

Auf menschliche Finger gedruckte Sensoren. (Bild:Huang Lab, Cambridge)

Forscher haben eine Methode entwickelt, um adaptive und umweltfreundliche Sensoren herzustellen, die direkt und unmerklich auf eine Vielzahl biologischer Oberflächen gedruckt werden können, sei es ein Finger oder ein Blütenblatt.

Die von Forschern der Universität Cambridge entwickelte Methode ist von Spinnenseide inspiriert, die sich an verschiedene Oberflächen anpassen und daran haften kann. Diese „Spinnenseiden“ enthalten auch Bioelektronik, sodass dem „Netz“ unterschiedliche Sensorfunktionen hinzugefügt werden können.

„Eine der größten Herausforderungen bestand darin, über die bestehenden Herstellungsmethoden hinauszugehen und einen Spinnmechanismus zur Herstellung der Fasersensoren zu entwickeln“, sagte Forschungsleiter und Professor Yan Yan Shery Huang gegenüber Tech Briefs in einem exklusiven Interview.

Die Fasern, die mindestens 50-mal kleiner als ein menschliches Haar sind, sind so leicht, dass die Forscher sie direkt auf die flauschigen Samenköpfe einer Löwenzahnblume druckten, ohne deren Struktur zu zerstören. Beim Drucken auf die menschliche Haut passen sich die Fasersensoren der Haut an und legen die Schweißporen frei, sodass der Träger ihre Anwesenheit nicht bemerkt. Tests der auf einen menschlichen Finger gedruckten Fasern legen nahe, dass sie als kontinuierliche Gesundheitsmonitore verwendet werden könnten.

„Die ursprüngliche Idee war irgendwie von der Kombination aus elektronischen Häuten und Spinnenseide inspiriert“, fügte Huang hinzu.

Diese abfall- und emissionsarme Methode zur Verbesserung lebender Strukturen könnte in einer Reihe von Bereichen eingesetzt werden, vom Gesundheitswesen und der virtuellen Realität bis hin zu elektronischen Textilien und Umweltüberwachung. Die Ergebnisse werden im Nature Electronics berichtet   .

„Zuerst wird eine wässrige Lösung hergestellt, die aus leitenden Partikeln, Hyaluronsäure und einem Polymerbindemittel besteht“, erklärt Huang den Prozess. „Diese Lösung wird dann in eine Spritzenspitze eingespeist, wo an der Spitze ein winziger hängender Tropfen entsteht. Ein rotierender Arm kommt dann mit dem hängenden Tropfen in Kontakt, wodurch der Tropfen zu einer Sensorfaser gedehnt wird.“

Obwohl die menschliche Haut außerordentlich empfindlich ist, könnte die Ergänzung mit elektronischen Sensoren die Art und Weise, wie wir mit der Welt um uns herum interagieren, grundlegend verändern. Direkt auf die Haut gedruckte Sensoren könnten beispielsweise zur kontinuierlichen Gesundheitsüberwachung, zum Verständnis von Hautempfindungen oder zur Verbesserung des Realitätsempfindens bei Spielen oder Virtual-Reality-Anwendungen eingesetzt werden.

Während tragbare Technologien mit eingebetteten Sensoren, wie etwa Smartwatches, weit verbreitet sind, können diese Geräte unangenehm und aufdringlich sein und die intrinsischen Empfindungen der Haut beeinträchtigen.

Es gibt mehrere Methoden zur Herstellung tragbarer Sensoren, die jedoch alle Nachteile haben. Flexible Elektronik beispielsweise wird normalerweise auf Kunststofffolien gedruckt, die weder Gas noch Feuchtigkeit durchlassen, so dass es so wäre, als würde man die Haut in Frischhaltefolie einwickeln. Andere Forscher haben kürzlich flexible Elektronik entwickelt, die wie künstliche Häute gasdurchlässig ist, aber dennoch das normale Empfinden beeinträchtigt und auf energie- und abfallintensiven Herstellungstechniken beruht.

Der 3D-Druck ist ein weiterer potenzieller Weg für die Bioelektronik, da er weniger verschwenderisch ist als andere Produktionsmethoden, aber zu dickeren Geräten führt, die das normale Verhalten beeinträchtigen können. Das Spinnen elektronischer Fasern führt zu Geräten, die für den Benutzer nicht wahrnehmbar sind, aber kein hohes Maß an Empfindlichkeit oder Raffinesse aufweisen und sich nur schwer auf das betreffende Objekt übertragen lassen.

Jetzt hat das von Cambridge geleitete Team eine neue Methode zur Herstellung leistungsstarker Bioelektronik entwickelt, die an eine Vielzahl biologischer Oberflächen angepasst werden kann, von der Fingerspitze bis zum flauschigen Samenkopf eines Löwenzahns, indem sie direkt auf diese Oberfläche gedruckt wird. Ihre Technik ist teilweise von Spinnen inspiriert, die mit minimalem Material anspruchsvolle und starke Netzstrukturen erschaffen, die an ihre Umgebung angepasst sind.

Die Forscher spinnten ihre bioelektronische „Spinnenseide“ aus PEDOT:PSS (einem biokompatiblen leitfähigen Polymer), Hyaluronsäure und Polyethylenoxid. Die Hochleistungsfasern wurden aus einer wasserbasierten Lösung bei Raumtemperatur hergestellt, wodurch die Forscher die „Spinnbarkeit“ der Fasern steuern konnten. Anschließend entwickelten die Forscher einen Orbital-Spinn-Ansatz, der es den Fasern ermöglichte, sich in lebende Oberflächen zu verwandeln, sogar bis hin zu Mikrostrukturen wie Fingerabdrücken.

Tests der bioelektronischen Fasern auf Oberflächen wie menschlichen Fingern und Löwenzahnsamenköpfen zeigten, dass sie eine hochwertige Sensorleistung lieferten, während sie für den Wirt nicht wahrnehmbar waren.

„Der unmittelbar nächste Schritt besteht darin, anwendungsbasierte Szenarien zu erstellen, um zu bestimmen, welcher Teil des Sensorsystems aus nicht wahrnehmbaren Fasern hergestellt werden sollte, und der Rest kann vorhandene mikrogefertigte Geräte/E-Textilien verwenden“, bemerkte Huang.