Sensorik So werden biegsame Temperatursensoren zur künstlichen Haut

Die Haut von Lebewesen ist in der Lage Temperaturveränderungen wahrzunehmen. Prothesen und Roboterarmen fehlt jedoch diese Fähigkeit. Forscher an der ETH Zürich haben nun einen hochempfindlichen und flexiblen Temperatursensor entwickelt – in Form von künstlicher Haut.

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ETH Zürich

Die Haut ist funktionell das vielseitigste Organ des menschlichen oder tierischen Organismus. Die Haut schützt das Innere vor dem Äußeren, ist mit dem Tastsinn und der Fähigkeit Temperaturveränderungen wahrzunehmen ausgestattet. Doch die genaue Funktionsweise der Temperatursensoren in der Haut wurde erst vor wenigen Jahren von Wissenschaftlern entschlüsselt. Beispielsweise ist es Klapperschlangen und Grubenottern möglich, ihre Beute auch in völliger Dunkelheit sicher orten können. Das hochsensible Grubenorgan zwischen Auge und Nase erlaubt es ihnen, den warmen Körper eines Säugetiers noch aus einem Meter Entfernung wahrzunehmen.

Vom Cyber-Holz zum künstlichen Temperatursensoren

Wissenschaftlern um Chiara Daraio vom Department Maschinenbau und Verfahrenstechnik an der ETH Zürich ist es nun gelungen, einen auf natürlichen Substanzen basierenden künstlichen Temperatursensor herzustellen, der ähnlich empfindlich ist und dank seiner Biegsamkeit und anderer nützlicher Eigenschaften schon bald als Bestandteil von künstlicher Haut in Prothesen oder Roboterarmen zum Einsatz kommen könnte.

Seine Entdeckung verdankt dieser Temperatursensor einem glücklichen Zufall. Raffaele Di Giacomo, der das Projekt im Labor der ETH-Professorin Daraio leitete, war im Rahmen seiner Forschung zunächst auf eine Besonderheit des pflanzlichen Materials Pektin gestoßen. Aus dem Alltag ist Pektin eher als Geliermittel für Puddings oder Konfitüren bekannt, doch Di Giacomo interessierte sich für eine andere Eigenschaft dieser aus vielen aneinandergereihten Zuckermolekülen bestehenden Substanz.

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Experimente an den Ästen von Bäumen, deren Zellwände Pektin enthalten, hatten nämlich ergeben, dass deren elektrische Leitfähigkeit stark von der Temperatur abhängt. Um den dafür verantwortlichen Mechanismus zu erforschen, stellten die Zürcher Forscher ein künstliches "Cyber-Holz" aus Pektin und Kohlenstoff-Nanoröhrchen her. Durch Messungen des elektrischen Widerstands bei verschiedenen Temperaturen fanden sie schließlich heraus, dass Kalziumionen, die an den Kontaktstellen zwischen zwei Zuckermolekülen des Pektins gefangen waren, für den Sensor-Mechanismus verantwortlich waren. Je höher die Temperatur, desto mehr freie Kalziumionen befanden sich im künstlichen Holz, und desto besser leitete es elektrischen Strom.

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