Forscher entwickeln selbstheilende elektronische Haut

| Redakteur: Sebastian Gerstl

Ein Stück der neuentwickelten "elektronischen Haut". Das wiederverwertbare Material ist formbar, kann recyclet werden und ermöglicht zahlreiche neue Anwendungen für Sensorik, unter anderem im medizintechnischen Bereich.
Ein Stück der neuentwickelten "elektronischen Haut". Das wiederverwertbare Material ist formbar, kann recyclet werden und ermöglicht zahlreiche neue Anwendungen für Sensorik, unter anderem im medizintechnischen Bereich. (Bild: Jianliang Xiao / University of Colorado Boulder)

Wissenschaftler der University of Colorado in Boulder haben eine neue Art von formbarer und vollständig recycelbarer „elektronischer Haut“ entwickelt, die sich selbst reparieren kann. Die mit umfangreicher Sensorik ausgestattete „e-skin“ ermöglicht neue Möglichkeiten in Feldern wie Robotik, Prothesenentwicklung oder verbesserten biomedizinischen Geräten.

Elektronische Haut, bisweilen auch „e-skin“ genannt (für „electronic skin“), ist ein dünnes, lichtdurchlässiges Material, das die Funktion und die mechanischen Eigenschaften der menschlichen Haut nachahmen kann. Eine Reihe von verschiedenen Arten und Größen tragbarer E-Häute werden derzeit in Labors auf der ganzen Welt entwickelt. Die Anwendungsmöglichkeiten sind dabei vielfältig, darunter beispielsweise implantierbare Displays für Medizintechnik oder Sportanwendungen , einen simulierten Tastsinn für Roboter oder zahlreiche andere Möglichkeiten. Eine Beschädigung dieser Entwicklungen kann allerdings schnell die gesamte eingebettete Elektronik funktionsunfähig machen.

Die neue, an der University of Colorado in Boulder entwickelte elektronische Haut adressiert diese Problematik. Sie verfügt über eingebettete Sensoren zur Messung von Druck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftstrom, sagte Assistant Professor Jianliang Xiao, der die Forschungsanstrengungen mit CU Boulder Chemie und Biochemie Associate Professor Wei Zhang leitet. Sie verfügt über mehrere charakteristische Eigenschaften, die sie von anderen Entwicklungen dieser Art absetzen. So verfügt sie etwa über ein neuartiges, kovalent gebundenes dynamisches Netzwerk-Polymer, bekannt als Polyimin, das mit Silber-Nanopartikeln geschnürt wurde. Dies macht diese e-skin stabiler, ermöglicht eine bessere mechanische Festigkeit und verleiht ihr eine bessere elektrische Leitfähigkeit als bislang bekannte vergleichbare Entwicklungen.

„Einzigartig ist hier, dass die chemische Bindung von Polyimin, die wir verwenden, die E-Haut sowohl selbstheilend als auch bei Raumtemperatur vollständig recycelbar macht", sagt Xiao. „Angesichts der Millionen Tonnen Elektronikschrott, die jedes Jahr weltweit anfallen, ist die Recyclingfähigkeit unserer E-Skin wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll.“

„Viele Leute kennen den Film The Terminator, in dem die Haut des Hauptschurken des Films nur wenige Sekunden nach dem Schießen, Schlagen oder Überfahren wieder geheilt wird“, sagte Zhang. „Während der neue Prozess nicht annähernd so dramatisch ist, erfolgt die Heilung von geschnittener oder gebrochener E-Haut, einschließlich der Sensoren, durch die Verwendung einer Mischung aus drei kommerziell erhältlichen Verbindungen in Ethanol“, sagte er.

Ein weiterer Vorteil der e-skin ist, dass sie sich leicht an gekrümmte Oberflächen wie menschliche Arme und Roboterhände anpassen lässt, indem man sie mit mäßiger Hitze und Druck beaufschlagt, ohne übermäßige Belastungen einzuleiten.

„Nehmen wir an, ein Roboter soll sich etwa um ein Baby kümmern", sagte Zhang. „In diesem Fall würden Sie E-Haut auf den Roboterfingern integrieren, die den Druck des Babys spüren können. Die Idee ist, biologische Haut mit E-Haut zu imitieren, die die gewünschten Funktionen hat."

Um die Haut zu recyceln, wird das Gerät in Recyclinglösung getränkt, wodurch die Polymere zu Oligomeren (Polymere mit Polymerisationsgrad normalerweise unter 10) und Monomeren (kleine Moleküle, die zu Polymeren zusammengefügt werden können), die in Ethanol löslich sind, abgebaut werden. Die Silber-Nanopartikel sinken auf den Boden der Lösung. „Die recycelte Lösung und die Nanopartikel können dann für die Herstellung neuer, funktioneller E-Haut verwendet werden", sagt Xiao.

Die Wissenschafter der Universität haben eine Studie zu ihrer elektronischen Haut in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht. Zu den Co-Autoren der Studie gehören Zhanan Zou und Yan Li vom Maschinenbau und Chengpu Zhu und Xingfeng Lei von Chemie und Biochemie. Die Studie wurde zum Teil von der National Science Foundation finanziert.

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