OFES e-Skin

Die Haut ist unser größtes Sinnesorgan. Neben ihrer wichtigen Barriere Funktion besitzt die Haut essenzielle Temperatur- sowie Tastsinneszellen, welche es uns erlauben sich sicher und effizient in unserer Umwelt zu bewegen. In den letzten Jahren forschten Wissenschaftler an der Herstellung einer elektronischen Haut engl. electronic skin, e-skin genannt, welche nicht nur die bemerkenswerten Eigenschaften unserer Haut imitierten soll, sondern auch einen Vielzahl weitere Funktionen bieten kann. Hierfür wurden Folien mit verschiedenster Sensorik und Elektronik bestückt. Wird eine solche Folie auf einem menschlichen Arm aufgebracht, liefert diese nicht nur Informationen was außerhalb des Körpers vorgeht, sondern kann auch zusätzlich innere Körperfunktionen wie z.B.: Puls, Körpertemperatur, etc. überwachen, wodurch es möglich ist Krankheiten viel schneller zu erkennen. Die Entwicklung einer e-skin wurde in den letzten Jahren stark vorangetrieben, jedoch ist bis zur Marktreife noch viel Forschungsarbeit notwendig. Die möglichen Anwendungsbereiche einer solchen e-skin reichen von Robotik über künstlichen Prothesen und biomedizinischen Instrumenten bis hin zu wearables Technologien und vielen weiteren. Im Projekt OFES e-Skin soll eine elektronische Haut mit einer Folie, welche 3-mal dünner als eine handelsübliche Frischhaltefolie ist, hergestellt werden. Dieses extrem dünne und leichte Substrat bestückt mit Elektronik und Sensorik hat den großen Vorteil, dass es sich leicht an beliebigen Objekten anschmiegen lässt und daher vielseitig einsetzbar ist. Eine weitere Besonderheit dieser e- skin soll neben dem federleichten Substrat die aufgebrachte Sensormatrix sein. Jeder Pixel dieser Matrix soll aus einem Sensor und einem Transistor bestehen, wobei beide in einem Bauteil integriert sind. Der Aufbau dieses Bauteils ähnelt einem gewöhnlichen organischer Feld-effekt Transistor, wobei aber das Dielektrikum aus einem ferroelektrischen Material besteht, welches auf Druck- und Temperaturänderungen reagiert. Da der organische Halbleiter im Transistorkanal ebenfalls auf Druck- und Temperaturänderungen reagiert, jedoch unterschiedlich, ist es möglich Änderungen dieser beiden Größen simultan zu messen. Die große Besonderheit dieser Sensoren liegt in ihrer dual-gate Bauweise. Durch den Einsatz zweier Gate-Elektroden wird nicht nur die Performance der einzelnen Sensoren erheblich gesteigert, sondern auch eine Integration in eine aktive Sensormatrix ermöglicht. Die zweite Gate-Elektrode ermöglicht die einzelnen Sensoren gezielt anzusteuern (ein/auszuschalten) wodurch der Cross-Talk (übersprechender Sensorsignalen), ein fundamentales Problem von passiven Sensormatrizen, verhindert wird. Ein weiteres wichtiges Charakteristikum dieser Sensormatrix ist Möglichkeit zum energy-harvesting (Speicherung der erzeugten elektrischen Energie), wodurch die Sensormatrix bis zu einem bestimmten Grad selbstversorgend ist. Die im Rahmen dieses Projekts hergestellte flexible, autonome Sensormatrix soll als medizinisches Pflaster, platziert auf der linken Brust, zur Detektion der Herz- und Atemrate, Temperatur sowie Gelenksbewegungen (Ellenbogen oder Knie), eingesetzt werden.

Gesundheit ist das kostbarste Gut, das spüren wir nicht nur jeden Tag, sondern jetzt ganz besonders in einer von einer Pandemie erschütterten Zeit. Diagnostische Verfahren zur kontinuierlichen Erfassung des Gesundheitszustandes spielen dabei eine wichtige Rolle, weshalb hier ein hoher Tragekomfort in Verbindung mit Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Kosteneffizienz besonders wünschenswert ist. In diesem Zusammenhang wurde im Rahmen dieses Projekts ein ultraflexibles sowie drahtloses "Vitalpatch", bestehend aus einer Kombination von ultradünnen Sensoren mit einer kompakten kabellosen Elektronik, zur kontinuierlichen Überwachung von Vitalparametern wie z.B.: Herzrate und Blutdruck entwickelt. Bei einer Gesamtdicke von gerade einmal 2,5 m, was einem Drittel einer herkömmlichen Frischhaltefolie entspricht, und einem Gesamtgewicht von nur 5,6 g besitzt das Vitalpatch einen hohen Tragekomfort, eine hohe Empfindlichkeit sowie eine hohe Zuverlässigkeit der Komponenten. Lebensstilbedingte Krankheiten wie Herzkrankheiten, Anzeichen von Stresszuständen, Schlafapnoe-Syndrom und ähnliches lassen sich hiermit frühzeitig zu erkennen, was ein wichtiger Schritt in Richtung "Diagnostik für Zuhause" ist. Neben der Erkennung von Vitalparametern können diese Sensoren auch zur Erzeugung elektrischer Energie, durch Umwandlung von (bio-) mechanischer Energie, wie z.B. Körperbewegung, in elektrische Energie, eingesetzt werden. Solch ein Energiegewinnungsbauteil (engl. "energy harvesting device"), basierend auf den ultradünnen Sensoren kombiniert mit zum Teil ultraflexibler Elektronik und Speicherelementen, wurde ebenfalls realisiert. Das zweite Projektziel war die Entwicklung einer Sensormatrix mit organischen Transistoren zur Ansteuerung einzelner Pixel in der Matrix um einen "Cross-Talk" (übersprechen der Sensorsignalen) zu verhindern. Zudem wurden innovative Sensorbauelemente zur gleichzeitigen Erfassung von Druck, Dehnung und Temperatur untersucht. Die hier vorgestellten ultradünnen Energiegewinnungs- sowie Sensor-Bauteile können konform an diversen Objekten wie auch am menschlichen Körper angebracht werden, wodurch sich verschiedene Anwendungsmöglichkeiten eröffnen, welche von der Robotik über künstliche e-Haut und tragbare Elektronik bis hin zu biomedizinischen Anwendungen reichen.