Sensorik

So werden biegsame Temperatursensoren zur künstlichen Haut

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Pektin-Gelee leitet elektrischen Strom

"Damit hatten wir zwar ein ideales Material für einen hochempfindlichen Temperatursensor gefunden.", erinnert sich Di Giacomo, "Doch es war starr wie Holz und damit zum Einsatz in einer künstlichen Haut denkbar ungeeignet." Der Durchbruch kam, als er gemeinsam mit dem Doktoranden Luca Bonanomi statt des künstlichen Holzes einen nur 100 Mikrometer dünnen Film aus simplem, mit Kalziumlösung versetztem Pektin-Gelee herstellte. An zwei Enden des Films brachten die Forscher Elektroden an, mit denen sie die Leitfähigkeit messen konnten. Das Ergebnis: Auch dieser einfache Pektin-Film leitete elektrischen Strom umso besser, je wärmer er war. Zudem war er hauchdünn, durchsichtig und fast beliebig bieg- und verformbar.

Empfindlich wie Mensch und Schlange

Genauere Messungen ergaben, dass die ETH-Wissenschaftler damit einen Temperatursensor gefunden hatten, der sich sogar mit dem hochempfindlichen Grubenorgan von Schlangen messen kann. Von 10 bis 50 Grad Celsius kann der Pektin-Film Temperaturen mit einer Genauigkeit von einem Hundertstel Grad messen. Das ist vergleichbar mit der Empfindlichkeit des Grubenorgans und doppelt so empfindlich wie die menschliche Haut. "Ausserdem", fügt Di Giacomo hinzu, "ist unser Pektin-Film extrem leicht herzustellen und enthält keine Transistoren oder anderen elektronischen Bauteile. Dadurch ist er deutlich robuster und weniger störanfällig als herkömmliche flexible Temperatursensoren."

Praxistest in der Robotik oder Prothetik in Planung

Um für Anwendungen in Prothesen geeignet zu sein, muss der Pektin-Film auch dann noch funktionieren, wenn er nicht flach aufliegt, sondern stark verbogen wird. Den Test dazu bestand der temperaturempfindliche Film mühelos. Zudem sollte es möglich sein, eine örtlich begrenzte Temperaturveränderung in einem großflächigen Film zu lokalisieren – ähnlich, wie die menschliche Haut einen Hitze- oder Kältereiz räumlich auflösen kann.

Um dies zu prüfen, brachten die Forscher an der Längs- und Querseite eines 25 Quadratzentimeter großen Films jeweils mehrere Elektroden an, die den Film in ein gedachtes Raster unterteilten. Berührte nun ein menschlicher Finger den Film an einer bestimmten Stelle, so konnten die Wissenschaftler aus der Veränderung der Signale an den verschiedenen Elektroden den Ort der Berührung recht genau bestimmen. "Derzeit perfektionieren wir noch die Computeralgorithmen, mit denen wir die Signale der Elektroden analysieren", erklärt der ehemalige Masterstudent Vincenzo Costanza, der Mitautor der Studie ist. Zusammen mit einer Verbesserung der elektrischen Kontakte sollte der Temperatursensor dann schon bald bereit sein für einen Praxistest in der Robotik oder Prothetik, so die Forscher der ETH Zürich.

Di Giacomo R, Bonanomi L, Costanza V, Maresca B, Daraio C: Biomimetic temperature sensing layer for artificial skins, Science Robotics 2017, 2: eaai9251, doi: 10.1126/scirobotics.aai9251

* Oliver Morsch, ETH Zürich

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