Dr. Diana Freudendahl, Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner
Das größte Organ des Menschen, die Haut, besitzt eine außergewöhnliche Bandbreite an Eigenschaften. Einerseits ist sie so empfindlich, dass sie einen leichten Lufthauch oder verschiedenste Oberflächen erkennen kann, andererseits ist sie so widerstandsfähig, dass sie den Körper vor Schäden oder Erregern schützt. Hinzu kommen weitere Aufgaben wie das Messen der aufgebrachten Kraft beim Fassen von Gegenständen oder die Überwachung der Körperbewegungen. Anhand dieses biologischen Vorbilds wird nun vermehrt an Haut-inspirierten Oberflächen mit integrierter Elektronik geforscht, die solche, aber auch weitere Eigenschaften aufweisen, wie z. B. chemische Sensoren.
Dabei sind die Einsatzbereiche für Electronic Skin, auch E-Skin genannt, mit engmaschigen Sensornetzwerken relativ vielfältig. Im Bereich Medizin und Robotik werden vermutlich vorerst die Hauptverwendungsmöglichkeiten liegen. E-Skin ist besonders interessant für die nicht-störende medizinische Stimulation (z. B. von Muskeln) oder die Messung medizinischer Parameter, insbesondere über längere Zeiträume. Sehr dünne, auf die Haut des Patienten aufgebrachte Sensorsysteme könnten z. B. die kontinuierliche Überwachung der Temperatur oder Herzfrequenz erlauben. Dabei ist auch die Nutzung im Sportbereich denkbar. Andererseits kann E-Skin im eigentlichen Sinne als Haut für robotische Systeme verwendet werden. Dies würde es Robotern erlauben, sowohl ihre Umwelt besser wahrzunehmen, als auch adäquater auf sie zu reagieren. Ein Vorteil wäre z. B. die Möglichkeit, die benötigte Kraft beim Greifen von Gegenständen besser zu kontrollieren. Ähnliches gilt für medizinische Prothesen, die so ein feineres Feedback an den Träger erlauben würden. Neben diesen Anwendungsbereichen sollen jedoch auch Input-Output-Geräte, die z. B. Drucksensorik und Display-Technologien vereinen, sowie sogenannte Smart Wallpaper möglich werden. Solche Smart Wallpaper könnten als Wandtapeten eingesetzt werden, deren Funktionalitäten analog zu einem heutigen Smartphone wären.
Generell besteht E-Skin aus zwei Komponenten, einem Trägermaterial (Substrat) und der Elektronik, die darin eingebettet ist oder aufgebracht wird. Als Substrate werden sehr dünne elastische Kunststoffe wie Polydimethylsiloxan (PDMS), Polyurethane oder Terephtalate (PBAT, PET) verwendet, mit Dicken von 1 µm bis wenige Millimeter. Neben der Elastizität der Substrate ist eine hohe Flexibilität der elektronischen Komponenten entscheidend. Dies kann dadurch erreicht werden, dass nicht-elastische elektronische Materialien, wie Gold oder Silizium, in 2-oder 3-dimensionalen Mustern auf das Substrat aufgebracht werden oder Materialien verwendet werden, die elastisch und gleichzeitig elektrisch leitend sind. Die Herstellung solcher Strukturen erfolgt in der Regel durch Drucktechnologien, die im Bereich gedruckter organischer Elektronik zu Einsatz kommen. Zudem gibt es auch Ansätze die Elektronik in inerten Flüssigkeitsreservoirs einzubetten, was die Belastung der nicht-elastischen Komponenten deutlich verringern kann. Eine wichtige Eigenschaft echter Haut ist ihre Fähigkeit zur Selbstheilung. Daher sind auch selbstheilende Matrixpolymere von Vorteil. Durch das Einbetten von Heilungsreagentien (wie Dicyclopentadien) in Polymerkompositen kann nach einem Schaden, mit Hilfe eines im Polymer eingelagerten Katalysators (z. B. ein Rutheniumkomplex), ein Riss im Substrat verschlossen werden.
Bei nicht-elastischen elektronischen Materialien bieten sich verschiedene Möglichkeiten für die Integration an. Häufig wird eine Mischung aus dehnbaren elektrischen Leiterbahnen und nicht-dehnbaren Bereichen eingesetzt. Für die dehnbaren Bereiche können zum einen Nanodrähte, ‑platten oder ‑röhren ungeordnet geschichtet auf dem Substrat abgelagert werden, so dass sie sich auch bei Dehnung des Basissubstrats immer noch teilweise überlagern und somit leitfähig bleiben. Zum anderen ist es möglich, innerhalb einer Dünnschicht elektronisch leitenden Materials nach dem aufbringen auf das Substrat gezielt Spannungsrisse zu erzeugen, die die elektrische Leitfähigkeit insgesamt jedoch nicht unterbrechen. So konnten mit Goldbeschichtungen Dehnbarkeiten bis zu 100% erreicht werden, mit nachgiebigeren Werkstoffen bis zu 170%. Des Weiteren können besondere Strukturierungen wie z. B. die schlangenlinienförmige Auftragung des elektrisch leitfähigen Materials Dehnungen von bis zu 300% ermöglichen. Nicht-elastisches, aber leitendes Material kann zudem auf ein bereits gedehntes Substrat aufgetragen werden. Stellt sich das elastische Material nach der Beschichtung wieder in seine Ausgangsform zurück, entsteht eine gewellte, leitende Oberfläche. Werkstoffe, die gleichzeitig elastisch und elektrisch leitend sind, wären ideal für E-Skin-Anwendungen, dazu sind jedoch neue Entwicklungen nötig.
Bisher ist es bereits gelungen, verschiedene Sensornetzwerke in E-Skin zu integrieren. Dazu gehören vor allem Druck- und Temperatursensoren. Aber auch Sensorik zum Ableiten elektrischer Signale auf der Haut wurden mittlerweile in Form von Prototypen hergestellt. Solche Systeme sind in der Lage, EEG-, ECG- und EMG-Signale an der Hautoberfläche festzustellen, um Hirn-, Herz- oder Muskelsignale zu messen. Zudem wurden kürzlich auch Input-Output-Systeme vorgestellt, deren Displaytechnologien auf der Integration von organischen LED (OLED) und polymeren LED (PLED) beruhen. Dabei besteht jedes Pixel der E-Skin aus einem Drucksensor und einem Dünnschichttransistor, der die Stromstärke zur farbigen OLED steuert. Das ermöglicht, abhängig von den eingesetzten Sensoren, beispielsweise eine direkte Darstellung von Temperaturunterschieden oder einer Belastung durch Chemikalien. Neben der bereits beschriebenen Heilung von Matrixpolymeren, wurden auch erste Ergebnisse an selbst-heilenden Sensoren erzielt, die aktuell in der Forschung an E-Skin im Vordergrund stehen.
Die Entwicklung von E-Skin ist noch weit entfernt von der Effizienz und Robustheit natürlicher Haut. Für die vorgestellten Einsatzgebiete werden Materialsysteme benötigt, die strapazierfähig und sehr flexibel sind. Beispielsweise konnte für OLEDs in einer solchen Anordnung als Prototypen im Einsatz auf der Haut noch keine stabile Leistung erhalten werden. Bisher wurden auch nur wenige Systeme entwickelt, die die zeitgleiche Erfassung und Erkennung verschiedener Signalreize zulassen. Zudem werden zukünftig sowohl die Stromversorgung für die Sensornetze als auch integrierte Rechnerkapazitäten wichtige Bestandteile von autonomen Gesamtsystemen darstellen müssen. Die weitere Entwicklung von E-Skin-Systemen wird neben der Verbesserung der elektronischen Komponenten auch von den Materialwissenschaften abhängen, deren Forschung an neuen elastischen und elektrisch leitfähigen Werkstoffen das Feld stark vorantreiben könnte.
*Fraunhofer Institut für
Naturwissenschaftlich-Technische
Trendanalysen
Appelsgarten 2, 53879 Euskirchen
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