Neuer Sensor: E-Skin kommt ohne Chips und Batterien aus

Ingenieuren des MIT gelang ein Durchbruch: Sie entwickelten einen neuartigen Sensor, der ganz ohne Chips und Batterien auskommt. Er kommuniziert drahtlos und kann zum Beispiel Puls-, Herzschlag- oder Temperatursignale erfassen – und auch übertragen. Im Gegensatz zu vielen anderen Sensoren, die über eingebaute Bluetooth-Prozessoren kommunizieren und von kleinen Batterien gespeist werden, nutzt die Neuheit eine andere Energiequelle. Diese macht auch kleinere, dünnere und flexiblere Formate möglich.

Das Besondere: Der neue Sensor ist quasi eine elektronische Haut, deren Design in der Zeitschrift Science genauer beschrieben wird. Er verwendet einen ultradünnen, halbleitenden, flexiblen Film, der sich der menschlichen Haut wie ein Klebeband anpasst und aus Galliumnitird besteht. Das Material nutzt dabei piezoelektrische Eigenschaften, sodass bei Bewegungen oder Vibrationen elektrische Impulse entstehen.

Die Forscher haben gezeigt, dass der Sensor empfindlich genug ist, um sowohl auf Herzschläge als auch auf Schweißsalze zu reagieren. Die Vibrationen erzeugen ein klares elektrisches Signal, das von einem Empfänger gelesen werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, die Informationen aus den Impulsen drahtlos und ohne Chip oder Batterie zu übertragen.

„Chips benötigen viel Strom. Unser Sensor macht dagegen sehr leichte Systeme möglich, indem er auf den Einsatz von Prozessoren verzichtet und wenig Energie verbraucht“, sagt Jeehwan Kim, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Werkstofftechnik sowie leitender Forscher am Electronics Research Laboratory des MIT. „Es ist möglich, den Sensor wie ein Pflaster auf den Körper zu kleben und ihn mit einem drahtlosen Lesegerät auf dem Mobiltelefon zu koppeln. So lassen sich zum Beispiel Puls, Schweiß und andere Vitalzeichen überwachen.“

Für Technik-Begeisterte besonders interessant: Bei dem neuen Sensor handelt es sich um einen ultradünnen Halbleiterfilm aus piezoelektrischem Material, der auf der Haut haftet und Körperschwingungen erfasst. Dass er hierfür keine Energiequelle benötigt, liegt an den besonderen Eigenschaften der Galliumnitridschicht. Zum einen ist das Material im Stande, ein elektrisches Signal zu erzeugen, wenn eine mechanische Spannung entsteht. Zum anderen vibriert es, wenn Strom hindurchfließt. So kann es Signale nicht nur drahtlos erkennen, sondern auch übertragen.

Zuvor hatte die Gruppe des MIT bereits eine andere Technik namens Remote-Epitaxie entwickelt, mit der die Herstellung von ultradünnen, hochwertigen und mit Graphen beschichteten Halbleitern möglich wurde. Mit dieser Technik ließen sich verschiedene flexible und multifunktionale elektronische Folien entwickeln. In der neuesten Forschungsarbeit verwendeten die Ingenieure dieselbe Technologie, um ultradünne Filme aus Galliumnitrid herzustellen. Dieses ist in seiner reinen Form ein hochempfindliches piezoelektrisches Material, weshalb es als Sensor und drahtloser Kommunikator für die Schwingungen zwischen den Filmen eingesetzt wurde. Die Muster dieser Wellen können die Herzfrequenz oder die Anwesenheit bestimmter Verbindungen in der Haut, wie z. B. Salz im Schweiß, anzeigen.

Unter Druck

Sensoren, die zur Gesundheitsüberwachung, Arzneimitteltherapie oder für biologische Studien in den Körper integriert werden können, gewinnen zunehmend an Wert. Eine Beispiel sind Drucksensoren, deren globaler Markt im Jahr 2019 auf 11,4 Milliarden US-Dollar geschätzt wurde und bis 2027 voraussichtlich 24,8 Milliarden US-Dollar erreichen wird. Grund dafür ist unter anderem, dass die Drucksensorik von grundlegender Bedeutung für eine Vielzahl medizinischer Anwendungen ist. Sie kann aber auch in anderen Bereichen wie der Interaktion zwischen Maschine, Roboter und Mensch eingesetzt werden.

Erst kürzlich sicherte sich die Pritzker School of Molecular Engineering an der University of Chicago Patente für solche Sensoren-Bausteine. Die Erfindung umfasst dehnbare Polymer-Halbleiter und Transistor-Reihen, die eine außergewöhnliche elektrische Leistung, optimale Halbleitereigenschaften und mechanische Elastizität bieten. Darüber hinaus wurden die neue Technologie der Nanogeneratoren sowie entsprechende Speichersysteme entwickelt, um Energie aus der Bewegung des Benutzers zu gewinnen.

Ziel ist es, diese Fortschritte zu kombinieren, um Geräte zu schaffen, die auf die Haut geklebt oder in den Körper eingeführt werden können. Laut Aussage der Erfinder sollen Vitalparameter mithilfe dieser Sensoren in Echtzeit „viel effektiver“ erfasst werden, als es mit den derzeitig verfügbaren Optionen möglich ist.