Revolutionäre Technologie: Sensornetzwerk imitiert Gehirnfunktion

Forscher der Brown University in den USA präsentierten ein neues Sensorsystem, das sowohl in den Körper implantiert als auch in tragbare Geräte integriert werden kann. Dieses System ermöglicht die effiziente Übertragung, den Empfang und die Entschlüsselung von Daten – ähnlich wie das menschliche Gehirn.

Jeder einzelne submillimetergroße Sensor imitiert die Neuronen des Gehirns und kommuniziert dabei über elektrische Aktivitätsspitzen. Die Sensoren erkennen spezifische Ereignisse und übertragen Daten in Echtzeit über Funkwellen. Diese Ereignisse können beispielsweise Änderungen in der überwachten Umgebung, wie Temperaturschwankungen oder die Messung bestimmter Stoffe sein.

„Unser Gehirn arbeitet sehr effizient, indem es Informationen komprimiert und sparsam verteilt. Wir ahmen diese Struktur in unserem Ansatz zur drahtlosen Telekommunikation nach.“, erklärt Jihun Lee, Hauptautor der Studie und Postdoktorand an der Brown University.

Die Sensoren senden nur bei Bedarf Daten, wie kleine Stromspitzen, und können dies unabhängig von den anderen Sensoren und ohne Koordinierung durch einen zentralen Empfänger tun. Dadurch wird nicht nur Energie gespart, sondern auch der Empfang entlastet, indem irrelevante Daten ausgefiltert werden.

Praktisches Plus: Die Sensoren lassen sich während der Datenübertragung mit nur minimalem Energieaufwand betreiben und zusätzlich von externen Transceivern mit Energie versorgen. Wichtig dabei: Sie müssen sich im Bereich der von den Transceivern gesendeten Wellen befinden, um Energie zu erhalten. Die Fähigkeit, ohne externe Stromquelle oder Batterie zu arbeiten, macht die Sensoren flexibel und vielseitig einsetzbar.

Die Forschung ist die Basis für echte Innovationen: Das ausgearbeitete Hochfrequenzübertragungsschema macht das System skalierbar – und löst das Problem der perfekten Synchronisation, das bei Sensorsystemen derzeit noch häufig auftritt. Die Entwickler sind überzeugt, dass dieser Fortschritt die Art und Weise beeinflussen könnte, wie Informationen von Chips gesammelt und interpretiert werden können – insbesondere da Sensoren immer häufiger eingesetzt werden.

„Wir leben in einer Welt voller Sensoren, sei es in Autos, am Arbeitsplatz oder in den eigenen vier Wänden. Die komplexeste Umgebung für Sensoren wird jedoch unser Körper sein.“, betont Arto Nurmikko, Professor an der School of Engineering der Brown University und leitender Autor der Studie.

Die Forscher sehen in dieser Lösung die Möglichkeit, die Grundlage für eine neue Generation von implantierbaren und tragbaren biomedizinischen Sensoren zu schaffen.

Wie wurden die Tests durchgeführt?

Das Team simulierte die Elektronik am Computer und durchlief verschiedene Fertigungsstufen, um die Sensoren herzustellen. Die Arbeit baut auf früheren Forschungen Nurmikko auf, in denen neuartiges neuronales Schnittstellensystem namens „Neurograins“ entwickelt wurde.

Auch die Effizienz des Systems und seine Erweiterungsmöglichkeiten wurden im Rahmen der Forschungsarbeit bewertet. In den Tests wurden 78 Sensoren im Labor montiert und bewiesen, dass sie fähig sind, Daten mit nur wenigen Fehlern zu sammeln und zu senden – selbst bei unterschiedlichen Übertragungszeiten. Durch Simulationen konnte gezeigt werden, wie Daten, die von den Gehirnen von Primaten gesammelt wurden, unter Verwendung von rund 8.000 hypothetisch implantierten Sensoren decodiert werden können.

Der nächste Schritt besteht darin, das System zu optimieren, um den Energieverbrauch zu reduzieren, und breitere Anwendungen jenseits der Neurotechnologie zu erforschen. Die bisherige Arbeit wurde in der Fachzeitschrift Nature Electronics veröffentlicht.

Hautähnliche Sensoren

Ein kürzlich in Nature veröffentlichter Artikel berichtet über Forschungsarbeiten an der Stanford University, die vor über einem Jahrzehnt begonnen haben und sich auf elastische hautähnliche Elektronik konzentrieren. In der Publikation stellte man ein neues Design- und Herstellungsverfahren für diese Schaltkreise vor, wodurch sie fünfmal kleiner und tausendmal schneller arbeiten als frühere Versionen. Die Forscher zeigten auf, dass es möglich ist, einen Mikro-LED-Bildschirm anzusteuern und eine Braille-Matrix empfindlicher zu erkennen als menschliche Fingerspitzen.

Das Herzstück der Schaltkreise sind die dehnbaren Transistoren aus Kohlenstoffnanoröhren-Halbleitern und weichelastischen, elektronischen Materialien, die im Labor der Universität entwickelt wurden. Im Gegensatz zu Silizium, das hart und spröde ist, haben Kohlenstoffnanoröhren, die zwischen elastischen Materialien eingebettet sind, eine netzwerkartige Struktur, die es ihnen ermöglicht, auch bei Dehnung und Verformung weiter zu arbeiten.

„Es waren viele Jahre der Materialentwicklung und Ingenieursarbeit. Wir mussten nicht nur neue Materialien entwickeln, sondern auch den Schaltungsentwurf und den Herstellungsprozess überdenken. Durch die zahlreichen Schichtungen ist es essenziell, dass jede das tut, was sie soll. Falls nicht, müssen wir von vorne beginnen.“, erklärt Zhenan Bao, Professor für Chemieingenieurwesen an der Stanford University und Hauptautor des Artikels.

In einer Demonstration des neuen erweiterbaren Elektronikdesigns war es möglich, mehr als 2.500 Sensoren und Transistoren auf einem Quadratzentimeter unterzubringen. Dies erzeugt eine aktive taktile Struktur, die zehnmal empfindlicher ist als menschliche Fingerspitzen. Die Forscher konnten im Rahmen ihrer Arbeit aufzeigen, dass das Sensorarray die Lage und Ausrichtung winziger Formen oder ganze Wörter in Braille-Schrift erkennen kann – ein wichtiger Grundstein für weitere Forschung auf diesem Gebiet.