Überraschende Idee: Elektronische Haut als Träger für Wearables
Bislang ließen sich Sensoren nur wenige Tage auf der Haut mit Pflastern befestigen. Neue Halbleiterstrukturen ermöglichen die langfristige Erfassung von Vitalwerten, berichtet eine MIT-Arbeitsgruppe.
Ingenieure haben eine elektronische Haut mit integrierten Wearables entwickelt.
Foto: Felice Frankel/MIT
Ingenieure am MIT haben eine schweißresistente elektronische Haut entwickelt – ein anschmiegsames, mit Sensoren versehenes Klebepflaster, um den Gesundheitszustand von Patienten zu überwachen. Das innovative Patch löst sich nicht ab, wenn die Person schwitzt. Ziel der Forschenden ist, Werables dauerhaft – oder zumindest längerfristig – am Körper zu befestigen. Das war bisher nicht möglich.
Ihr Pflaster ist mit künstlichen Schweißkanälen durchsetzt, ähnlich den Poren der menschlichen Haut. Sie durchlöchern das Pflaster in einem Kirigami-ähnlichen Muster, ähnlich wie bei der japanischen Scherenschnittkunst. Das Design sorgt dafür, dass Schweiß durch das Pflaster entweichen kann. Hautreizungen, aber auch Schäden an den eingebetteten Sensoren, lassen sich so verhindern. Das Kirigami-Muster trägt auch dazu bei, dass sich das Pflaster an die menschliche Haut anpasst, wenn es sich dehnt und biegt, ohne dass elektronische Strukturen brechen.
Mit der neuen elektronischen Haut könnte man beispielsweise langfristig Vitalwerte erfassen oder das Fortschreiten von Hautkrebs verfolgen. Ärztinnen und Ärzte erkennen anhand der Daten Veränderungen im Gesundheitszustand, bevor Patienten neue Symptome ermitteln.
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Technisch viele Hürden zu überwinden
Doch der Weg hin zur elektronischen Haut war steinig. Schon länger untersuchte die MIT-Arbeitsgruppe, wie sich flexible Halbleiterschichten herstellen und bearbeiten lassen. Die Ingenieure entwickelten ein spezielles Verfahren, Remote-Epitaxie genannt. Dabei lässt man dünne Halbleiterfilme bei hoher Temperatur auf Wafern, sprich Scheiben aus Halbleitern, wachsen und entfernt sie selektiv. Bei der Stapelung bilden sich Sensoren, die viel dünner und flexibler sind als bei herkömmlichen Designs.
Ein Kosmetikunternehmen wurde darauf aufmerksam und schlug vor, bei der weiteren Entwicklung zusammenzuarbeiten. Die Firma war auf der Suche nach dünnen, tragbaren Bändern, um die Haut von Kunden dauerhaft zu überwachen. So weit, so gut, doch stießen die MIT-Ingenieure schon bald auf ein Hindernis: Schweiß. Bei vielen ihrer anfänglichen Experimente haben sie Sensoren in klebrige, polymerbasierte Materialien eingebettet. Diese Werkstoffe sind nicht sonderlich atmungsaktiv, und Schweiß staut sich. Gewebten Nanofasern lassen zwar Luft durch, aber keinen Schweiß. Alle Materialien erwiesen sich dauerhaft als ungeeignet. Sammelt sich Schweiß zwischen der Haut und dem Halbleiter an, führt dies zu falschen Daten oder zu Fehlfunktionen.
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Biologische Strukturen als Vorbild
Doch eine Idee führte dann überraschend zur Lösung: Die MIT-Forschenden ließen sich von biologischen Strukturen inspirieren. Sie brachten in Erfahrung, dass der Durchmesser einer Schweißpore bei etwa 100 Mikrometern liegt, und dass Poren zufällig in der Haut verteilt sind.
Nach diesen Vorüberlegungen begann die Arbeitsgruppe, periodische Muster von Löchern zu untersuchen, in etwa so groß wie eine Schweißpore. Sie fanden heraus, dass eine Struktur mit kleinen Porenabständen Wasser effizient durchlässt. Gleichzeitig waren die Werkstücke nicht sehr dehnbar und brachen schnell, wenn sie auf der Haut getragen wurden.
Doch die Forscherinnen und Forscher fanden heraus, dass sie die Festigkeit und Flexibilität ihrer Struktur erhöhen konnten, wenn man dünne Kanäle zwischen einzelne Löcher schneidet. Dabei wurden aus den kreisrunden Vertiefungen hantelartige Muster – und ein Kirigami-ähnlicher Effekt trat auf. Zum Vergleich: Ein Blatt Papier lässt sich nicht um einen Ball wickeln. Schneidet man Kirigami-Muster hinein, gelingt dies schon.
Erste Tests der elektronischen Haut mit integrierten Wearables
Gelten solche Überlegungen auch für Halbleiterfilme? Um dies herauszufinden, klebten Forschende ihre elektronische Haut auf die Stirn eines Freiwilligen. Der Proband trug das Patch eine Woche lang ununterbrochen. Während dieses Zeitraums bestimmten Sensoren die Temperatur, den Wassergehalt und die UV-Belastung seiner Haut. Auch der Puls ließ sich problemlos erfassen. Weder sportliche Aktivitäten noch der Verzehr scharf gewürzter Speisen, in beiden Fällen produziert die Haut mehr Schweiß, verfälschten Messungen.
Bis zur kommerziellen Verwertung gibt es aber noch viel zu tun. Das elektronische Pflaster war im Praxistest empfindlich gegen Reibungskräfte. Es musste deshalb mit einer Hülle als Schutz versehen werden. Allein der Strahl eines Brausekopfs könnte beim Duschen zur Beschädigung führen: eine Schwachstelle, die MIT-Experten jetzt angehen. Läuft alles nach Plan, könnten Wearables künftig weitere Aufgaben übernehmen.
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