Technologie

Schlaue Haut aus Hybridmaterial

20.05.2022 - Multisensorische Smartskin kann Druck, Feuchtigkeit und Temperatur simultan wahrnehmen und elektrische Signale erzeugen.

Die Haut ist das größte Sinnesorgan und zugleich der Schutzmantel des Menschen. Sie erfühlt mehrere Sinnes­eindrücke gleichzeitig und meldet Informationen zu Feuchtigkeit, Temperatur und Druck an das Gehirn. Für Anna Maria Coclite ist ein Material mit solchen multi­sensorischen Eigenschaften „eine Art ‚heiliger Gral‘ in der Technologie intelligenter künstlicher Materialien. Insbesondere die Robotik und intelligente Prothetik würden von einer besser integrierten, präzisieren Sensorik ähnlich der menschlichen Haut profitieren.“ Der ERC-Grant-Trägerin und Forscherin am Institut für Festkörper­physik der TU Graz ist es mittels neuartigem Verfahren gelungen, das Drei-in-Eins-Hybrid­material „Smartskin“ für die nächste Generation von künstlicher, elektronischer Haut zu entwickeln.

 

Knapp sechs Jahre lang arbeitete das Team im Rahmen von Coclites ERC-Projekt „SmartCore“ an der Entwicklung von Smartskin. Mit 2000 einzelnen Sensoren pro Quadrat­millimeter ist das Hybridmaterial feinfühliger als menschliche Finger­spitzen. Jeder dieser Sensoren besteht aus einer einmaligen Materialkombination: einem intelligenten Polymer in Form eines Hydrogels im Inneren und aus einer Schale aus piezoelektrischem Zinkoxid. Coclite erklärt: „Das Hydrogel kann Wasser absorbieren und dehnt sich dadurch bei Feuchtigkeits- und Temperatur­änderungen aus. Dabei übt es einen Druck auf das piezoelektrische Zinkoxid aus, das auf diese und auf alle anderen mechanischen Belastungen mit einem elektrischen Signal reagiert.“

Das Ergebnis ist ein hauchdünnes Material, das mit extrem hoher räumlicher Auflösung simultan auf Krafteinwirkung, Feuchtigkeit und Temperatur reagiert und entsprechende elektronische Signale abgibt. „Die ersten Material­samples sind sechs Mikrometer dünn. Es ginge aber sogar noch dünner“, so Anna Maria Coclite. Zum Vergleich: Die menschliche Oberhaut, die Epidermis, ist 0,03 bis 2 Millimeter dick. Die Haut des Menschen nimmt Dinge ab einer Größe von etwa einem Quadratmillimeter wahr. Die Smartskin hat eine tausendmal kleinere Auflösung und kann Objekte registrieren, die für die menschliche Haut zu klein sind (etwa Mikroorganismen).

Die einzelnen Sensorschichten sind also sehr dünn und gleichzeitig flächendeckend mit Sensorelementen ausgestattet. Möglich war dies in einem weltweit einmaligen Verfahren, für das die Forscher erstmals drei bekannte Methoden aus der physikalischen Chemie kombinierten: eine chemische Gasphasen­abscheidung für das Hydrogel­material, eine Atomlagenabscheidung für das Zinkoxid und die Nanoprint-Lithographie für die Polymer-Schablone. Für die lithographische Aufbereitung der Polymer-Schablone zeichnete die Forschungs­gruppe „Hybrid­elektronik und Strukturierung“ unter der Leitung von Barbara Stadlober verantwortlich. Die Gruppe ist Teil des in Weiz ansässigen „Materials Institute“ von Joanneum Research.

Dem hautähnlichen Hybridmaterial eröffnen sich nun mehrere Anwendungs­felder: Im Gesundheitswesen beispielsweise könnte das Sensor­material selbstständig Mikro­organismen erkennen und entsprechend melden. Denkbar sind auch Prothesen, die dem Träger Auskunft über Temperatur oder Feuchtigkeit geben, oder Roboter, die ihre Umwelt sensibler wahrnehmen können. Auf dem Weg in die Anwendung punktet Smartskin mit einem entscheidenden Vorteil: Die sensorischen Nanostäbchen – der „smarte Kern“ des Materials – werden mit einem dampf­basierten Herstellungs­verfahren produziert. Dieses Verfahren ist in Produktionsanlagen etwa für integrierte Schaltkreise bereits gut etabliert. Die Herstellung der Smartskin kann damit leicht skaliert und in bestehende Produktions­linien implementiert werden.

Die Eigenschaften der Smartskin werden nun noch weiter optimiert: Anna Maria Coclite und ihr Team – hier insbesondere der Dissertant Taher Abu Ali – wollen den Temperatur­bereich, auf den das Material reagiert, erweitern und die Flexibilität der künstlichen Haut verbessern.

TU Graz / DE

 

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