Neuromedizin Adaptive Mikroelektronik kann sich selbstständig verformen

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Wissenschaftler haben eine adaptive Mikroelektronik entworfen, die sich dank Sensoren selbstständig bewegt und gezielt ausrichten kann. Einsatz findet sie in der Biomedizin oder als bio-neuronale Interfaces.

Firmen zum Thema

Dank Sensoren und künstlicher Muskeln im Mikrobereich kann künftige Mikroelektronik komplexe Formen annehmen und so zum Beispiel bioneurale Interfaces mit empfindlichem biologischen Gewebe herstellen, ohne Schäden zu verursachen.
Dank Sensoren und künstlicher Muskeln im Mikrobereich kann künftige Mikroelektronik komplexe Formen annehmen und so zum Beispiel bioneurale Interfaces mit empfindlichem biologischen Gewebe herstellen, ohne Schäden zu verursachen.
(Bild: IFW Dresden/TU Chemnitz)

Mit einer flexiblen und adaptiven Mikroelektronik lassen sich völlig neue biomedizinische Anwendungen umsetzen. Dazu gehört beispielsweise die Behandlung beschädigter Nervenbündel, chronischer Schmerzen oder die Steuerung künstlicher Gliedmaßen. Damit das funktioniert, muss die Elektronik und das neuronale Gewebe eng kontaktiert sein. Nur so ist eine elektrische und mechanische Kopplung möglich. Darüber hinaus lassen sich außerdem kleine und flexible chirurgische Werkzeuge herstellen.

Bisher war es nicht möglich, dass mikroelektronische Strukturen sowohl ihre Umgebung wahrnehmen und sich anpassen können. So gibt es zwar Strukturen mit einem Dehnungssensor, die ihre eigene Form überwachen, Mikroelektronik mit magnetischen Sensoren, die sich im Raum orientieren oder Geräte, deren Bewegung durch elektroaktive Polymer-Strukturen gesteuert werden können. Eine Kombination der Eigenschaften in einem dynamischen sich verändernden Organismus von wenigen Mikrometer, also deutlich unterhalb eines Millimeters, gab es bisher noch nicht.

Künstliche Muskeln passen sich flexibel an

Grundlage für die Anwendungen bildet eine 0,5 mm breite und 0,35 mm lange Polymerfolie, die als Träger für die mikroelektronischen Komponenten fungiert. Zum Vergleich: Ein 1-Cent-Stück hat einen Durchmesser von rund 16 mm. Das Team der TU Chemnitz und des Leibniz-Instituts IFW in Dresden stellt eine adaptive und intelligente Mikroelektronik vor, die sich mittels mikroskopisch kleiner künstlicher Muskeln gezielt verformt und sich dank Sensoren an dynamische Umgebungen anpasst.

Dafür werden die Sensorsignale durch elektrische Verbindungen an einen Mikrocontroller geleitet, wo diese ausgewertet und genutzt werden, um Steuersignale für die künstlichen Muskeln zu erzeugen. Das ermöglicht es beispielsweise, dass sich die Werkzeuge im Miniaturformat selbst an komplexe und unvorhersehbare anatomische Formen anpassen können. So sind Nervenbündel immer unterschiedlich groß. Die adaptive Mikroelektronik ermöglicht es, diese Nervenbündel schonend zu umschließen, um ein geeignetes bio-neurales Interface zu etablieren.

Sensoren und Mikro-Aktuatoren vereint

Wesentlich dafür ist die Integration von Form- oder Positionssensoren in Kombination mit Mikro-Aktuatoren. Idealerweise wird die adaptive Mikroelektronik in einem sogenannten monolithischen Wafer-Scale-Prozess hergestellt. Diese Wafer sind flache Unterlagen, die aus Silizium oder Glas bestehen können, auf denen schließlich die Schaltkreise gefertigt werden. Durch die monolithische Fertigung können viele Bauteile gleichzeitig auf einer Unterlage parallel hergestellt werden. Das ermöglicht eine schnelle und zugleich kostengünstigere Fertigung.

Die Bewegung und Verformung der adaptiven Mikroelektronik erfolgt mit künstlichen Muskeln, den sogenannten Aktuatoren. Sie erzeugen durch den Ausstoß oder die Absorption von Ionen eine Bewegung und können so beispielsweise die Polymer-Folie verformen.

Grundlage dieses Prozesses ist der Einsatz des Polymers Polypyrrol (PPy). Der Vorteil der Methode besteht darin, dass eine Manipulation der Form gezielt und mit bereits sehr kleiner Vorspannung von unter einem Volt erfolgen kann. Dass künstliche Muskeln auch für den Einsatz in organischen Umgebungen sicher sind, konnte bereits in der Vergangenheit von anderen Gruppen gezeigt werden. Dabei wurde die Leistungsfähigkeit der Mikromaschinen in verschiedenen für die medizinische Anwendung relevanten Umgebungen getestet: Hirnflüssigkeit, Blut, Plasma und Urin.

Dreidimensionale Mikro-Roboter

Die durch das Forschungsteam aus Chemnitz und Dresden entwickelte Polymerfolie ist gerade mal 0,5 mm breit und 0,35 mm lang. Sie fungiert als Träger für die mikroelektronischen Komponenten und ist mit künstlichen Muskeln sowie Sensoren ausgestattet. Das ermöglicht es, die Umgebung wahrzunehmen, Objekte zu erkennen und sich verschiedenen Formen anzupassen.
Die durch das Forschungsteam aus Chemnitz und Dresden entwickelte Polymerfolie ist gerade mal 0,5 mm breit und 0,35 mm lang. Sie fungiert als Träger für die mikroelektronischen Komponenten und ist mit künstlichen Muskeln sowie Sensoren ausgestattet. Das ermöglicht es, die Umgebung wahrzunehmen, Objekte zu erkennen und sich verschiedenen Formen anzupassen.
(Bild: IFW Dresden/TU Chemnitz)

Das Team aus Dresden und Chemnitz erwartet, dass die adaptive und intelligente Mikroelektronik mittelfristig zu komplexen robotischen Mikrosystemen entwickelt wird. Dazu Boris Rivkin: „Der entscheidende nächste Schritt ist der Übergang von der bisher flachen Architektur zu dreidimensionalen Mikro-Robotern. In früheren Arbeiten wurde demonstriert, wie sich flache Polymerfolien durch selbstorganisiertes Falten oder Rollen zu dreidimensionalen Strukturen umbilden. Wir werden solche Materialien mit adaptiver Elektronik ausstatten, um Systeme wie robotisierte Mikro-Katheter, kleinste Roboterarme und formbare neuronale Implantate zu entwickeln, die einer digitalen Instruktion folgend semi-autonom handeln.“

Dr. Daniil Karnaushenko, Gruppenleiter im Team von Prof. Oliver Schmidt, ergänzt: „Solche komplexen Mikro-Roboter werden eine Vielzahl einzelner Aktuatoren und Sensoren benötigen. Elektronische Komponenten in einer solchen Dichte effektiv unterbringen und nutzen zu können, stellt eine Herausforderung dar, weil mehr elektrische Verbindungen nötig sind als Platz vorhanden ist. Gelöst wird das durch komplexe elektronische Schaltungen, die zukünftig in die adaptive Mikroelektronik integriert werden, um die entsprechenden Instruktionen an die richtigen Komponenten durchstellen zu können.“

Internationales Team entwickelt adaptive Mikroelektronik

Ein internationales Team um Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, Leiter des Instituts für Integrative Nanowissenschaften am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden sowie Inhaber der Professur für Materialsysteme der Nanoelektronik an der Technischen Universität Chemnitz und Initiator des Zentrums für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (MAIN) sowie Boris Rivkin, Doktorand in der Forschungsgruppe von Prof. Schmidt, konnte erstmals zeigen, dass eine adaptive Mikroelektronik durch die Analyse von Sensorsignalen in der Lage ist, sich kontrolliert zu positionieren, biologisches Gewebe zu manipulieren und auf seine Umgebung zu reagieren. Die Ergebnisse unter der Erst-Autorenschaft Rivkins sind in dem Fachmagazin „Advanced Intelligent Systems“ erschienen.

Teamleiter Prof. Dr. Oliver G. Schmidt

Oliver G. Schmidt wurde 2007 als Professor für Materialsysteme der Nanoelektronik an die TU Chemnitz berufen und ist gleichzeitig Direktor des Instituts für Integrative Nanowissenschaften am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden.

Schmidt ist ein Pionier auf dem Gebiet der Mikrorobotik und Mikromotoren. Er und sein Forschungsteam bewegen sich mit ihren Arbeiten im Bereich der Nanowissenschaften zwischen den Fachgebieten Physik, Chemie, Materialwissenschaften, Elektronik und Mikrosystemtechnik. Das Anwendungspotential seiner wissenschaftlichen Erkenntnisse hat Schmidt in der Mikrorobotik, Photonik, Sensorik, Medizin und in der Energiespeicherung in zahlreichen Forschungsarbeiten aufgezeigt. 2010 baute er mit seinen damaligen Kollegen den kleinsten von Menschenhand gefertigten Düsenantrieb und 2020 den kleinsten mikroelektronischen Roboter.

Für seine herausragenden Arbeiten zur Erforschung, Herstellung und innovativen Anwendung funktioneller Nanostrukturen wurde er 2018 mit dem Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis – dem wichtigsten Forschungsförderpreis in Deutschland – geehrt. Schmidt ist Mitglied der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften (acatech) und gehört zu den höchstzitierten Wissenschaftlern weltweit.

(ID:47137535)