Tragbare medizinische Geräte, die Herzfrequenz, Atmung und Gelenkbewegungen über lange Zeiträume hinweg ohne Batteriesorgen überwachen, elektronische Haut, die äußere Reize wie die menschliche Haut wahrnimmt, und weiche Roboter aus flexiblen Materialien, die sich frei bewegen können – all dies ist der Realität einen Schritt näher gekommen. Forscher des KAIST haben einen selbstversorgenden Sensor (einen Sensor, der ohne Batterie selbst Strom erzeugt) entwickelt, der sich um bis zu 668 Prozent dehnen lässt und dabei stabile elektrische Signale liefert.
Das KAIST gab bekannt, dass ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Miso Kim vom Fachbereich Maschinenbau die Haltbarkeitsgrenzen herkömmlicher piezoelektrischer Fasersensoren (Fasersensoren, die Druck oder Bewegung in elektrische Signale umwandeln) überwunden und erfolgreich einen hochdehnbaren piezoelektrischen Fasersensor entwickelt hat, der auch bei wiederholter Verformung stabil funktioniert.
Hierarchisches Design soll Dehnung und Signalstabilität vereinen
Das Kernmaterial des Sensors, das piezoelektrische Polymer, ist ein polymerer Werkstoff, der bei Einwirkung mechanischer Kraft elektrischen Strom erzeugt. Obwohl es sich aufgrund seines geringen Gewichts und seiner Flexibilität gut für auf der Haut anbringbare Wearable-Sensoren eignet, litten herkömmliche piezoelektrische Fasersensoren unter einer Signalverschlechterung bei wiederholtem Dehnen oder Biegen, da die Elektrodenschicht, die elektrische Signale aufnimmt, und die piezoelektrische Schicht, die Strom erzeugt, dabei beschädigt wurden. Zudem konnte zwar durch das Aufwickeln der Fasern die Dehnbarkeit erhöht und somit eine größere Dehnung ermöglicht werden, doch die Aufrechterhaltung der elektrischen Stabilität blieb eine erhebliche Herausforderung.
Um diese Probleme zu lösen, entwickelte das Forschungsteam eine Strategie des „hierarchischen, widerstandsfähigen Designs“ und konstruierte den Sensor so, dass er Verformungen auf mehreren Ebenen standhält – von den Ausgangsmaterialien und Elektroden bis hin zur Gesamtstruktur. Einfach ausgedrückt: So wie ein Gummiband nach wiederholtem Dehnen wieder seine ursprüngliche Form annimmt, ist der Sensor so konzipiert, dass er seine Leistungsfähigkeit nach zyklischen Verformungen selbstständig aufrechterhält.
Zunächst bettete das Forschungsteam elastische Polymer-Mikropartikel in die piezoelektrischen Nanofasern ein, um eine eng ineinandergreifende Struktur zu schaffen. Dies erzeugt einen stützenden Effekt ähnlich wie bei Klettverschluss und hilft dem Sensor, seine ursprüngliche Form auch nach wiederholtem Dehnen wieder anzunehmen.
Zudem gestalteten sie die Schnittstelle so, dass die Stromabnahmeelektrode und die stromerzeugende piezoelektrische Schicht nahtlos miteinander verbunden sind. Durch die feste Verbindung unterschiedlicher Materialien stellten sie sicher, dass diese sich bei Stößen oder Verformungen nicht leicht ablösen, sodass der Sensor auch bei starker Dehnung oder Biegung ein stabiles elektrisches Signal beibehält.
Spulen- und Knotenkonzepte sichern stabile Signale unter Belastung
Durch die Anwendung dieses Designs auf eine Spulenstruktur gelang es dem Forschungsteam, den Sensor um bis zu 668 Prozent – etwa das 6,7-Fache seiner ursprünglichen Länge – zu dehnen und dabei ein stabiles Ausgangssignal aufrechtzuerhalten. Der entwickelte Sensor erzeugte bei verschiedenen Bewegungen, darunter Dehnung, Biegung und Druck, konsistente elektrische Signale.
Darüber hinaus fertigte das Forschungsteam den Sensor nicht nur in Spulenform, sondern auch in Knotenkonfigurationen an und bestätigte so dessen stabilen Betrieb unter wiederholten Kräften oder plötzlichen Stößen. Durch den Einsatz Künstlicher Intelligenz (KI) zur Analyse der Sensorsignale gelang es ihnen zudem, verschiedene Bewegungen wie Drücken, Biegen und Dehnen genau voneinander zu unterscheiden.
Potenzial für Wearables, elektronische Haut und weiche Robotik
Diese Studie ist von großer Bedeutung, da sie eine selbstversorgende Sensorplattform vorstellt, die gleichzeitig eine hohe Dehnbarkeit und Langzeitstabilität erreicht, ohne dass eine Batterie erforderlich ist. Da sie insbesondere eine stabile Signalmessung in Umgebungen ermöglicht, die wiederholten Verformungen ausgesetzt sind, wird erwartet, dass sie bei der Entwicklung von medizinischen Wearables der nächsten Generation zur Langzeitüberwachung verschiedener Biosignale, darunter Herzfrequenz, Atmung, Gelenkbewegung und Muskelaktivität, zum Einsatz kommt. Zudem wird prognostiziert, dass sich ihr Anwendungsspektrum auf digitale Gesundheitsgeräte, elektronische Haut und Sensoren für weiche Roboter ausweiten wird, da die Geräte dadurch leichter und benutzerfreundlicher werden.
„Die zentrale Errungenschaft dieser Forschung besteht darin, dass durch die Kombination von Faserstrukturdesign und Elektrodengrenzflächentechnik (eine Technologie zur Steuerung der Grenzfläche zwischen verschiedenen Materialien) gleichzeitig mechanische Belastbarkeit und elektrische Zuverlässigkeit gewährleistet wurden“, erklärte Professorin Miso Kim. Sie fügte hinzu: „Wir gehen davon aus, dass diese Technologie künftig in medizinischen Wearables, die über einen langen Zeitraum getragen werden müssen, in elektronischer Haut sowie in Sensoren für weiche Roboter zum Einsatz kommen wird, um eine genauere und kontinuierliche Überwachung von Biosignalen zu ermöglichen.“
