Flexible Sensoren bilden menschliches Tastvermögen nach

Urbana-Champaign (USA) – Viele hundert Nervenenden machen die menschliche Fingerkuppe zum hochsensiblen Tastinstrument, über welches Mensch und Umwelt Informationen austauschen. Diese Einheit von Feingefühl und Flexibilität war technisch bislang unerreicht. Doch Forscher konstruierten nun mithilfe dehnbarer Elektronik eine Art künstliche Fingerkuppe. Diese kann sowohl Druck vom Finger als auch von außen registrieren und nimmt sogar das Dehnen der Haut beim Fingerbiegen wahr. Anders als bisherige Sensoren dieser Art muss die neue „Tasthaut" nicht flach aufliegen, sondern kann auch gebogene Formen annehmen, berichtet das Team im Fachblatt „Nanotechnology". Damit ist ein Anwendungsspektrum bei Prothesen und Medizintechnik bis hin zur Robotik denkbar. Die Herstellungskosten dürften dabei dank handelsüblicher Materialien niedrig bleiben.

Das Bild zeigt eine künstliche Hand aus Kunststoff. Über einer Fingerkuppe sitzt eine Haube aus einem durchsichtigen Material. Unter der Haube sind flache, goldene Elektroden zu sehen, das durchsichtige Material wird eng um Elektroden und Finger gelegt und passt sich deren Form an.
Tastempfindliche Fingerlinge

„Dies ist ein wichtiger Schritt in der Entwicklung biologisch integrierter Elektronik", sagte John Rogers, Materialforscher an der US-amerikanischen University of Illinois. Das vielleicht wichtigste Ergebnis sei, „dass wir multifunktionale Siliziumhalbleitertechnologie in die Form weicher, dreidimensionaler, eng anliegender Häute bringen konnten, die sich nicht nur für den Einsatz an Fingerkuppen, sondern auch an anderen Körperteilen eignet." Sein Team hatte schon zuvor an tastempfindlicher Kunsthaut gearbeitet. Allerdings ging es dabei nur um Stücke, die auf wenig gebogenen Stellen des Körpers wie etwa dem Unterarm auflagen. Nun entwickelten die Forscher einen Sensor in Form eines Fingerlings. Wie in der Spitze eines dicken Gummihandschuhs sitzt ein dehnbarer elektronischer Schaltkreis samt Tastsensoren direkt über der Fingerkuppe.

Dazu hatten die Wissenschaftler Muster aus leitfähigen Goldstreifen auf extrem dünne Siliziumschichten aufgebracht und in eine flexible Polyimidschicht eingebettet. Nach dem Ätzen einer Struktur übertrugen sie diese auf eine Silikongummifolie in Form eines vorderen Fingerglieds. Die fertige „elektronische Haut" registriert die Drücke und Dehnungen wie die Nervenenden einer Fingerkuppe, nur über die Mikroelektroden der eingebetteten Schaltkreise. Die Kapazität eines solchen Elektrodenpaars – seine Fähigkeit zum Speichern elektrischer Ladung – hängt vom Abstand zwischen beiden Elektroden ab. Verringert sich der Abstand zwischen ihnen auch nur minimal, weil äußere Kräfte die Haut verformen, so steigt ihre Kapazität. In ihren Tests nutzten die Forscher ihren Fingerling dann sowohl mit der Elektronikschicht auf der Innenseite, um im Hautkontakt den Druck der Finger nach außen zu registrieren, als auch umgestülpt für Messungen des Drucks von außen.

Ebenso lassen sich in solche Fingerlinge winzige Sensoren für Bewegung oder Temperatur einbetten, schreibt das Team. Da ein Rechenchip die veränderten Werte analysiert und passende Reaktionen steuert, könne man sogar kleinste Hitzequellen in einen neuartigen Medizinerhandschuh oder in Operationsroboter einbauen, um etwa gezielt und mit direkter Rückmeldung einzelne Hautschichten abzutragen. Nun wollen die Forscher eine ähnliche Sensorhaut für den Einsatz an anderen Körperteilen entwickeln: Am Herzen etwa könnte eine solche flexible Hülle eines Tages Rhythmusstörungen erkennen oder notwendige Impulse geben, eventuell sogar gekoppelt an einen drahtlosen Datenfunk und eine eigene Stromversorgung.