Hauchdünner Sensor für die Wearables von morgen

Ingenieure des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben eine chipfreie, drahtlose elektronische "Haut" entwickelt. Der tragbare Sensor erfasst und überträgt Signale in Bezug auf Puls, Schweiß und UV-Strahlung. Sperrige Chips oder Batterien sind dafür nicht nötig. Details zum Entwurf sind in der Fachzeitschrift "Science" nachzulesen.

Die MIT-Forscher sehen ihre Entwicklung als Wegbereiter für künftige chipfreie, drahtlose Sensoren. Beim Sensor-Design handelt es sich um eine Art elektronische Haut oder "E-Skin" - eine flexible, halbleitende Folie, die sich wie ein elektronisches Klebeband an die Haut anschmiegt. Herzstück des Sensors ist ein ultradünner, hochwertiger Film aus Galliumnitrid. Dieses Material hat piezoelektrische Eigenschaften: Es kann sowohl ein elektrisches Signal als Reaktion auf mechanische Belastung erzeugen als auch reaktiv auf einen elektrischen Impuls mechanisch vibrieren.

Die Experten haben die bidirektionalen piezoelektrischen Eigenschaften von Galliumnitrid ausgenutzt und verwenden das Material für Sensorik und drahtlose Kommunikation. Sie stellten reine, einkristalline Proben von Galliumnitrid her. Diese verbanden sie mit einer leitenden Goldschicht, um jedes ein- oder ausgehende elektrische Signal zu verstärken. So hat das Team gezeigt, dass das Gerät empfindlich genug ist, um als Reaktion auf den Herzschlag einer Person sowie auf das Salz in ihrem Schweiß zu vibrieren und dass Vibrationen des Materials ein elektrisches Signal erzeugen. Dieses kann von einem nahen Empfänger gelesen werden. Auf diese Weise überträgt das Gerät chip- und batterielos Sensordaten drahtlos.

"Chips benötigen viel Strom, aber unser Gerät könnte ein sehr leichtes System ohne stromhungrige Chips ermöglichen", sagt Jeehwan Kim, korrespondierender Autor der Studie. "Man könnte es wie einen Verband um den Körper legen und in Verbindung mit einem drahtlosen Lesegerät auf dem Mobiltelefon den Puls, den Schweiß und andere biologische Signale überwachen."

Am Körper getragene Sensoren beziehungsweise Wearables sind allgegenwärtig dank der drahtlosen Technologie, die es ermöglicht, die Glukosekonzentration, den Blutdruck, die Herzfrequenz und das Aktivitätsniveau einer Person zur weiteren Analyse nahtlos vom Sensor auf das Handy zu übertragen. Die meisten drahtlosen Sensoren kommunizieren über eingebettete Bluetooth-Chips, die von kleinen Batterien gespeist werden. Doch diese herkömmlichen Chips und Stromquellen sind wahrscheinlich zu sperrig für die Sensoren der nächsten Generation, die immer kleinere, dünnere und flexiblere Formen annehmen. Auch Forscher aus Ohio arbeiten an tragbaren Sensoren, die mit neuartigen Methoden die Gesundheit überwachen.