Tragbare Elektronik liegt im Trend: Schon seit einigen Jahren experimentieren Forschende mit Sensoren, die wie ein Pflaster direkt auf die Haut aufgeklebt werden. Sie können beispielsweise die Körpertemperatur messen, uns vor Austrocknung warnen oder den Schweiß chemisch analysieren. Auch als Alkoholtest oder Blutzuckerwächter können einige dieser elektronischen Pflaster fungieren. Die Anforderungen an eine solche “elektrische Haut” sind allerdings hoch: Sie muss möglichst dehnbar und biegsam sein, um den Bewegungen des Trägers folgen zu können, ohne dass die Haut gereizt wird. Zudem sollten solche Sensorpflaster Feuchtigkeit und Schweiß standhalten können, gleichzeitig aber nicht selbst zur Brutstätte für Keime werden. Und schließlich müssen Elektronik und Sensoren sowohl sensitiv und hochauflösend sein als auch möglichst energieeffizient. Bisher gibt es nur wenige “E-Skins”, die diese Herausforderungen meistern.
Sensor-Tomographie statt Einzelsensoren
Eine neue Art der elektronischen Haut haben nun Pavlo Makushko vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und seine Kollegen entwickelt. Sie kann Magnetfelder hochpräzise und gleichzeitig hautschonend und effizient erspüren. „Bisherige Technologien erfassen Magnetfelder mit vielen einzelnen Sensoren und Transistoren – ähnlich den Berührungssensoren in einem Smartphone-Display”, erklärt Seniorautor Denys Makarov vom HZDR. “Unsere Idee war, ein System zu entwickeln, das energieeffizienter ist und besser zum Menschen und zur weichen menschlichen Haut passt.” Basis des Magnetsensors ist eine nur wenige tausendstel Millimeter dünne, leichte und flexible Membran aus Polyester, auf die eine Gitterschicht aus einer magnetsensiblen Metallkombination aufgedampft wird. Diese reagiert auf Veränderungen des umgebenden Magnetfelds durch Veränderungen ihres elektrischen Widerstands. Damit dient dieses Netz als magnetosensitive Funktionsschicht – sie ist der eigentliche Sensor. Der Vorteil: Diese Sensorhaut ist relativ einfach mit gängigen Methoden herzustellen und kann fast beliebig skaliert werden. Im Test war die Fläche des E-Skins rund 12 x 12 Zentimeter groß. „Solch großflächige magnetosensitive Smart Skins gab es bisher nicht“, sagt Makushko.
Der eigentliche Clou der neuen Sensorhaut ist jedoch das Auslesen der Signale: Bisherige Ansätze nutzen meist viele nebeneinander liegende Einzelsensoren, die jeweils ein Signal erzeugen und dieses an eine zentrale Einheit schicken. Die magnetosensitive “Haut” von Makushko nutzt hingegen ein von der Natur abgeschautes Prinzip: “Wir wurden inspiriert von Spinnen und Aalen, die lokale Veränderungen ihrer Umwelt über nur ein einfaches Medium detektieren – das Spinnennetz oder das umgebende Wasser”, erklären die Forschenden. Ähnlich funktioniert auch ihr elektronischer Hautsensor: An den Kanten der Sensormembran sind jeweils acht bis 16 winzige Messelektroden angebracht, die vom Rand aus die Verteilung des elektrischen Widerstands in der gesamten Sensormembran aufzeichnen. Makushko und sein Team vergleichen das Prinzip mit der Tomographie: Die Position und Stärke der Signale im Sensorfeld wird durch die Kombination vieler Einzelaufnahmen rekonstruiert. Für E-Skins mit Magnetfeldsensoren sei diese Technologie neu, habe aber einen großen Vorteil: “Unser Magnetsensor benötigt für ein Auslesen 500-mal weniger Strom als gängige Matrix-basierte Feldsensoren”, berichten die Forschenden.
