Technikforum

Multi­sensori­sches Hybrid­material als elektroni­sche Haut

Die Haut ist das größte Sinnesorgan und zugleich der Schutzmantel des Menschen. Sie erfasst 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 neuartigen Verfahrens gelungen, das Drei-in-Eins-Hybridmaterial Smartskin für die nächste Generation von künstlicher, elektronischer Haut zu entwickeln.

Feinfühlig wie Fingerspitzen

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. „Das Hydrogel kann Wasser absorbieren und dehnt sich dadurch bei Feuchtigkeits- und Temperaturänderungen aus“, erklärt Coclite. „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 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 höhere Auflösung und kann Objekte registrieren, die für die menschliche Haut zu klein sind (etwa Mikroorganismen).

Herstellung mittels Nanolithografie

Die einzelnen Sensorschichten sind also sehr dünn und gleichzeitig flächendeckend mit Sensorelementen ausgestattet. Möglich war dies in einem laut den Forschern weltweit einmaligen Verfahren, für das erstmals drei bekannte Methoden aus der physikalischen Chemie kombiniert wurden: eine chemische Gasphasenabscheidung für das Hydrogelmaterial, eine Atomlagenabscheidung für das Zinkoxid und die Nanoprint-Lithografie für die Polymer-Schablone. Für die lithografische 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.

Anna Maria Coclite von der TU Graz ist es mit ihrem Team gelungen, ein 3in1-Hybridmaterial für die nächste Generation smarter, künstlicher Haut herzustellen. Bild: Helmut Lunghammer/TU Graz

Viele Anwendungsfelder und leicht skalierbar

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 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 – also 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: Coclite und ihr Team wollen den Temperaturbereich, auf den das Material reagiert, erweitern und die Flexibilität der künstlichen Haut verbessern.

Originalveröffentlichung:

[Smart Core-Shell Nanostructures for Force, Humidity and Temperature Multi-Stimuli Responsiveness. Taher Abu Ali, Philipp Schäffner, Maria Belegratis, Gerburg Schider, Barbara Stadlober und Anna Maria Coclite. Advanced Materials Technologies, https://doi.org/10.1002/admt.202200246]

Quelle: www.tugraz.at

Bild: Helmut Lunghammer/TU Graz