Unsichtbare, umweltfreundliche Hautsensoren – inspiriert von Spinnenseide

Andrew Corselli

Sensoren auf menschlichen Fingern gedruckt. (Bild: Huang Lab, Cambridge)

Bioelektronische Fasern: Direkt auf Haut, Blütenblätter, Samen gedruckt

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

Die Methode, entwickelt von Forschern der University of Cambridge, nimmt Inspiration von Spinnenseide, die sich an eine Reihe von Oberflächen anpassen und haften kann. Diese „Spinnenseiden“ integrieren auch Bioelektronik, sodass verschiedene Sensorfähigkeiten dem „Netz“ hinzugefügt werden können.

„Eine der größten Herausforderungen war, aus bestehenden Fertigungsmethoden auszubrechen und einen Spinnmechanismus zu entwickeln, um die Fasersensoren herzustellen“, sagte Forschungsleiterin Professorin Yan Yan Shery Huang im exklusiven Interview mit Tech Briefs.

Die Fasern, mindestens 50-mal kleiner als ein menschliches Haar, sind so leicht, dass die Forscher sie direkt auf den flauschigen Samenkopf eines Löwenzahns druckten, ohne dessen Struktur zu kollabieren. Auf menschlicher Haut gedruckt, passen sich die Fasersensoren der Haut an und legen die Schweißporen frei, sodass der Träger ihre Präsenz nicht bemerkt. Tests der auf einen menschlichen Finger gedruckten Fasern deuten darauf hin, dass sie als kontinuierliche Gesundheitsmonitore genutzt werden könnten.

„Die ursprüngliche Idee war inspiriert von der Kombination aus elektronischer Haut und Spinnenseide“, fügte Huang hinzu.

Anwendungsfelder: Gesundheitswesen, VR, E-Textiles, Umweltmonitoring

Diese abfall- und emissionsarme Methode zur Erweiterung lebender Strukturen könnte in einer Reihe von Bereichen eingesetzt werden – von Gesundheitswesen und virtueller Realität bis zu elektronischen Textilien und Umweltüberwachung. Die Ergebnisse wurden in Nature Electronics veröffentlicht.

Herstellungsprozess: Wässrige Lösung, rotierender Arm

„Zunächst wird eine wässrige Lösung bestehend aus leitenden Partikeln, Hyaluronsäure und einem Polymerbinder hergestellt“, erklärte Huang den Prozess. „Diese Lösung wird dann in eine Spritzenkappe gefüllt, wo ein winziger Tropfen an der Spitze entsteht. Ein rotierender Arm kommt dann in Kontakt mit dem Tropfen, der den Tropfen zu einer Sensorfaser dehnt.“

Vorteile gegenüber bestehenden Wearable-Technologien

Obwohl menschliche Haut bemerkenswert empfindlich ist, könnte ihre Erweiterung mit elektronischen Sensoren fundamental verändern, wie wir mit der Welt um uns interagieren. Zum Beispiel könnten direkt auf die Haut gedruckte Sensoren für kontinuierliches Gesundheitsmonitoring, zum Verständnis von Hautempfindungen oder zur Verbesserung des „Realitäts“-Gefühls in Gaming- oder Virtual-Reality-Anwendungen genutzt werden.

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

Es gibt mehrere Methoden zur Herstellung tragbarer Sensoren, aber alle haben Nachteile. Flexible Elektronik wird beispielsweise normalerweise auf Kunststofffolien gedruckt, die Gas oder Feuchtigkeit nicht durchlassen – es wäre wie das Einwickeln der Haut in Frischhaltefolie. Andere Forscher haben kürzlich flexible Elektronik entwickelt, die gasdurchlässig ist, wie künstliche Haut, aber diese stören immer noch das normale Empfinden und basieren auf energie- und abfallintensiven Fertigungstechniken.

3D-Druck ist ein weiterer potenzieller Weg für Bioelektronik, da er weniger verschwenderisch ist als andere Produktionsmethoden, führt aber zu dickeren Geräten, die normales Verhalten stören können. Das Spinnen elektronischer Fasern ergibt Geräte, die für den Nutzer unmerklich sind, aber nicht über hohe Empfindlichkeit oder Raffinesse verfügen und schwer auf das betreffende Objekt zu übertragen sind.

Cambridge-Durchbruch: Orbitales Spinnen für hohe Performance

Jetzt hat das von Cambridge geführte Team einen neuen Weg entwickelt, hochleistungsfähige Bioelektronik herzustellen, die an eine breite Palette biologischer Oberflächen angepasst werden kann – von der Fingerspitze bis zum flauschigen Samenkopf eines Löwenzahns –, indem sie direkt auf diese Oberfläche gedruckt werden. Ihre Technik nimmt teilweise Inspiration von Spinnen, die anspruchsvolle und starke Netzstrukturen an ihre Umgebung anpassen, unter minimalem Materialeinsatz schaffen.

Die Forscher spannen ihre bioelektronische „Spinnenseide“ aus PEDOT:PSS (einem biokompatiblen leitenden Polymer), Hyaluronsäure und Polyethylenoxid. Die hochleistungsfähigen Fasern wurden aus einer wässrigen Lösung bei Raumtemperatur hergestellt, was den Forschern ermöglichte, die „Spinnbarkeit“ der Fasern zu kontrollieren. Die Forscher entwarfen dann einen orbitalen Spinnansatz, um den Fasern zu ermöglichen, sich lebenden Oberflächen anzupassen – bis hin zu Mikrostrukturen wie Fingerabdrücken.

Tests der bioelektronischen Fasern auf Oberflächen einschließlich menschlicher Finger und Löwenzahnsamenköpfe zeigten, dass sie hochwertige Sensorleistung boten, während sie für den Wirt unmerklich waren.

„Der unmittelbare nächste Schritt ist, anwendungsbasierte Szenarien zu etablieren, um zu bestimmen, welcher Teil des Sensorsystems mit unmerklichen Fasern hergestellt werden sollte, und der Rest kann existierende mikrofabrikierte Geräte/E-Textilien nutzen“, merkte Huang an.