Neue Ära von Sensoren für Mensch und Roboter – dank Elektrospinnen und Dopamin
Forschende der japanischen Shinshu-Universität haben ein kostengünstiges piezoelektrisches Kompositmaterial aus elektrogesponnenen PVDF-Nanofasern und Dopamin entwickelt. Die daraus hergestellten Sensoren sind flexibler, leistungsstärker und stabiler als herkömmliche Sensoren. Sie versprechen weitere Fortschritte für das Monitoring von Menschen und Robotern.
Flexible, leistungsstarke Sensoren werden für Menschen und Roboter immer wichtiger.
Foto: PantherMedia / AndrewLozovyi
Die Welt bewegt sich mit hoher Geschwindigkeit auf ein Zeitalter zu, das durch zunehmende Automatisierung und Vernetzung mithilfe von Technologien wie künstlicher Intelligenz (KI) und Robotik geprägt ist. Sensoren sind hier eine zentrale Schnittstelle zwischen Menschen, Maschinen und Umgebung.
Herkömmliche Siliziumsensoren stoßen jedoch angesichts von Robotern, die immer mobiler werden, an ihre Grenzen. Gleiches gilt für die Anforderungen an tragbare Elektronik, die zum Beispiel in Wearables integriert ist. Flexible Sensoren, die komfortabler, vielseitiger und sensibler sind, rücken daher in den Fokus der Forschung. Piezoelektrische Sensoren, die mechanische Spannungen in elektrische Signale umwandeln, spielen hier eine wichtige Rolle.
Elektrospinnen als Schlüssel zu leistungsstarken Sensoren
Ein Forscherteam der Shinshu-Universität in Japan hat sich der Herausforderung gestellt, das Design flexibler piezoelektrischer Sensoren mithilfe des Elektrospinnens zu optimieren. Ihre aktuelle Studie, veröffentlicht in Nature Communications, beschreibt die schrittweise Herstellung einer 2D-Nanofasermembran.
Zunächst haben die Forschenden ein stabiles Netzwerk aus PVDF-Nanofasern (PVDF = Polyvinylidenfluorid) mit Durchmessern von 200 Nanometern (nm) als Sensorbasis gesponnen. Darauf wurden ultrafeine PVDF-Fasern mit Durchmessern unter 35 nm gesponnen, die sich automatisch zwischen den Lücken des Basisnetzes verweben und eine spezielle 2D-Topologie erzeugen.
Verbesserte Kristallorientierung und Dopamin-Verstärkung
Experimente, Simulationen und Analysen konnten zeigen, dass das resultierende PVDF-Verbundnetz eine optimierte Beta-Kristallorientierung aufweist. Diese polare Phase ist für den piezoelektrischen Effekt in PVDF verantwortlich, sodass die Sensoren deutlich leistungsstärker werden.
Um das Verbundnetz weiter zu stabilisieren, führten die Forschenden während des Elektrospinnens zusätzlich Dopamin (DA) ein, das eine schützende Kern-Schale-Struktur bildet. „Die aus PVDF/DA-Kompositmembranen hergestellten Sensoren zeigten eine hervorragende Leistung, einschließlich eines breiten Ansprechbereichs, einer hohen Empfindlichkeit gegenüber schwachen Kräften im unteren Bereich und einer ausgezeichneten Betriebsdauer“, bemerkt Studienleiter Ick Soo Kim.
Vielfältige Anwendungen in Medizin und Robotik
Die Forschenden testeten die Eigenschaften und die Leistung der Sensoren in der Praxis mit Wearables zur Messung menschlicher Bewegungen und Handlungen. Das Ergebnis: Die Sensoren, die von Menschen getragen wurden, zeigten differenzierte Spannungsantworten auf natürliche Bewegungen und unterschiedliche Bewegungsmusster. Hierzu gehörten körperliche Signale wie Fingerklopfen, Knie- und Armbeugen, Auftreten des Fußes, Sprechen oder der Pulsschlag am Handgelenk.
Da das neu entwickelte Kompositmaterial kostengünstig und umweltfreundlich ist, hat es nach Ansicht der Forschenden das Potenzial für die Massenproduktion von umweltfreundlichen, organischen Sensoren. Anwendungsgebiete sind zum Beispiel Gesundheitsmonitoring, Diagnostik und Robotik. Die Nanofasern könnten, so Wissenschaftler Kim, in Sensoren für das Monitoring menschlicher Bewegungen und für humanoide Roboter wie den „Optimus“ von Tesla genutzt werden. Der kann bereits menschliche Bewegungen nachahmen und wie ein Mensch gehen.
Ausblick: Flexible Sensoren ohne externe Stromquelle
Das Forschungsteam arbeitet nun daran, die elektrischen Eigenschaften des Materials derart zu verbessern, dass flexible elektronische Komponenten auch ohne externe Stromquelle funktionieren. Weitere Fortschritte in diesem Bereich könnten den Weg ins Zeitalter der künstlichen Intelligenz beschleunigen und zu einem komfortablen sowie nachhaltigen Leben beitragen, so die Forschenden.
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