Feinfühliger als menschliche Fingerspitzen Elektronische Haut mit 2.000 Sensoren pro Quadratmillimeter

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Sechs Jahre haben Forscher der TU Graz an ihrer elektronischen Haut entwickelt. Entstanden ist ein Hybridmaterial, das feinfühliger als menschliche Fingerspitzen ist. Dazu registrieren 2.000 Sensoren pro Quadratmillimeter Kraft, Feuchte und Temperatur.

Synthetische und vollständig recyclebare elektronische Haut haben im Jahr 2018 Forscher der University of Colorado in Boulder. Auch immer ausgeklügeltere Sensoren ermöglichen immer empfindlichere elektronische Haut. Sinneseindrücke genau erfassen treibt die Forscher weltweit um. Einer Forscherin an der TU Graz ist es jetzt mit einem neuartigen 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 Smartskin. Mit 2.000 einzelnen Sensoren pro Quadratmillimeter ist das Hybridmaterial feinfühliger als menschliche Fingerspitzen. Jeder der Sensoren besteht aus einer einmaligen Materialkombination: einem intelligenten Polymer in Form eines Hydrogels im Inneren und aus einer Schale aus piezoelektrischem Zinkoxid.

Simultan auf Kraft, Feuchte und Temperatur reagieren

Assoc.Prof. Dr. Anna Maria Coclite von der TU Graz 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, also 0,006 mm. Es ginge aber sogar noch dünner“, sagt Anna Maria Coclite.

Zum Vergleich: Die menschliche Oberhaut, die Epidermis, ist 0,03 bis 2 mm 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).

Material in Nanobereich bearbeiten

Die einzelnen Sensorschichten sind sehr dünn und gleichzeitig flächendeckend mit Sensorelementen ausgestattet. Möglich war das 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.

Für Prothesen oder Roboter

Dem hautähnlichen Hybridmaterial eröffnen sich mehrere Anwendungsfelder: Im Gesundheitswesen beispielsweise könnte das Sensormaterial selbstständig Mikroorganismen erkennen und entsprechend melden. Denkbar sind Prothesen, mit denen Träger Auskunft über Temperatur oder Feuchtigkeit bekommen, 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.

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