Weiche, dehnbare und starke elektronische Haut ahmt die natürlichen Funktionen der menschlichen Haut nach.

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Weiche, dehnbare, schlanke und starke Elektronik könnte die Einführung von künstlicher Haut beschleunigen.

Ein Material, das die menschliche Haut in Stärke, Dehnbarkeit und Empfindlichkeit nachahmt, könnte zur Erfassung biologischer Daten in Echtzeit verwendet werden. Elektronische Haut, oder E-Haut, könnte eine wichtige Rolle in der Prothetik der nächsten Generation, der personalisierten Medizin, der Soft-Robotik und der künstlichen Intelligenz spielen.

“Die ideale E-Haut ahmt die vielen natürlichen Funktionen der menschlichen Haut, wie Temperatur- und Berührungssensorik, genau und in Echtzeit nach”, sagt KAUST-Postdoc Yichen Cai. Die Herstellung entsprechend flexibler Elektronik, die solch heikle Aufgaben erfüllen und gleichzeitig die Beulen und Kratzer des täglichen Lebens aushalten kann, ist jedoch eine Herausforderung, und jedes Material muss sorgfältig entwickelt werden.

Die meisten E-Häute werden hergestellt, indem ein aktives Nanomaterial (der Sensor) auf eine dehnbare Oberfläche geschichtet wird, die an der menschlichen Haut haftet. Die Verbindung zwischen diesen Schichten ist jedoch oft zu schwach, was die Haltbarkeit und Empfindlichkeit des Materials verringert; alternativ dazu wird die Flexibilität eingeschränkt, wenn das Material zu stark ist, wodurch die Wahrscheinlichkeit steigt, dass es reißt und den Schaltkreis unterbricht.

“Die Landschaft der Hautelektronik verändert sich immer wieder in einem spektakulären Tempo”, sagt Cai. “Das Aufkommen von 2D-Sensoren hat die Bemühungen beschleunigt, diese atomar dünnen, mechanisch festen Materialien in funktionelle, haltbare künstliche Häute zu integrieren.

Ein Team unter der Leitung von Cai und seinem Kollegen Jie Shen hat nun eine haltbare E-Haut geschaffen, die ein mit Silika-Nanopartikeln verstärktes Hydrogel als starkes und dehnbares Substrat und ein 2D-Titankarbid MXene als Sensorschicht verwendet, die mit hochleitfähigen Nanodrähten verbunden sind.

“Hydrogele bestehen zu mehr als 70 Prozent aus Wasser, was sie sehr kompatibel mit menschlichem Hautgewebe macht”, erklärt Shen. Indem sie das Hydrogel in alle Richtungen vordehnten, eine Schicht Nanodrähte auftrugen und dann seine Freisetzung sorgfältig kontrollierten, schufen die Forscher leitende Pfade zur Sensorschicht, die selbst dann intakt blieben, wenn das Material auf das 28-fache seiner ursprünglichen Größe gedehnt wurde.

Ihr Prototyp e-skin konnte Objekte aus einer Entfernung von 20 Zentimetern wahrnehmen, in weniger als einer Zehntelsekunde auf Stimuli reagieren und, wenn er als Drucksensor verwendet wurde, darauf geschriebene Handschrift erkennen. Sie funktionierte auch nach 5.000 Verformungen noch gut und erholte sich jedes Mal in etwa einer Viertelsekunde. “Es ist eine bemerkenswerte Errungenschaft, dass eine E-Haut nach wiederholtem Gebrauch ihre Zähigkeit beibehält”, sagt Shen, “die die Elastizität und schnelle Erholung der menschlichen Haut nachahmt.

Diese Art von E-Haut könnte eine Reihe biologischer Informationen überwachen, wie z.B. Veränderungen des Blutdrucks, die durch Vibrationen in den Arterien und Bewegungen großer Gliedmaßen und Gelenke erkannt werden können. Diese Daten können dann über Wi-Fi gemeinsam genutzt und in der Wolke gespeichert werden.

“Ein verbleibendes Hindernis für den weit verbreiteten Einsatz von E-Häuten liegt im Scale-up von hochauflösenden Sensoren”, fügt Gruppenleiter Vincent Tung hinzu; “jedoch bietet die lasergestützte additive Fertigung neue Möglichkeiten”.

“Wir sehen für diese Technologie eine Zukunft jenseits der Biologie”, fügt Cai hinzu. “Dehnbare Sensorbänder könnten eines Tages die strukturelle Gesundheit unbelebter Objekte wie Möbel und Flugzeuge überwachen”.

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