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Schweißfeste elektronische "Smart Skin" misst zuverlässig die Werte, auch während des Workouts

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Das Design könnte zu anpassungsfähigen, tragbaren Monitoren zur Überwachung von Hautkrebs und anderen Erkrankungen führen.

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MIT-Ingenieure und Forscher in Südkorea haben eine schweißfeste "elektronische Haut" entwickelt - ein anpassungsfähiges, mit Sensoren versehenes Klebepflaster, das den Gesundheitszustand einer Person überwacht, ohne zu versagen oder sich abzulösen, selbst wenn der Träger schwitzt.

Das Pflaster ist mit künstlichen Schweißkanälen gemustert, ähnlich den Poren der menschlichen Haut, die die Forscher durch die ultradünnen Schichten des Materials geätzt haben. Die Poren durchlöchern das Pflaster in einem kirigamiähnlichen Muster, ähnlich dem der japanischen Scherenschnittkunst. Das Design sorgt dafür, dass Schweiß durch das Pflaster entweichen kann, was Hautreizungen und Schäden an den eingebetteten Sensoren verhindert.

Das Kirigami-Muster trägt auch dazu bei, dass sich das Pflaster an die menschliche Haut anpasst, wenn es sich dehnt und biegt. Diese Flexibilität, gepaart mit der Fähigkeit des Materials, Schweiß zu widerstehen, ermöglicht es, den Gesundheitszustand einer Person über lange Zeiträume zu überwachen, was mit früheren "E-Skin"-Designs nicht möglich war. Die Ergebnisse, die am 30. Juni 2021 in Science Advances veröffentlicht wurden, sind ein Schritt auf dem Weg zu langlebigen intelligenten Häuten, die die täglichen Vitalwerte oder das Fortschreiten von Hautkrebs und anderen Erkrankungen verfolgen können.

"Mit diesem anpassungsfähigen, atmungsaktiven Hautpflaster gibt es keine Schweißansammlung, falsche Informationen oder Ablösung von der Haut", sagt Jeehwan Kim, außerordentlicher Professor für Maschinenbau am MIT. "Wir können tragbare Sensoren bereitstellen, die eine konstante Langzeitüberwachung durchführen können."

Zu Kims Co-Autoren gehören der Hauptautor und MIT-Postdoc Hanwool Yeon sowie Forscher der MIT-Abteilungen für Maschinenbau und Materialwissenschaft und -technik und des Research Laboratory of Electronics, zusammen mit Mitarbeitern des Kosmetikkonzerns Amorepacific und anderen Institutionen in Südkorea.

Eine schweißtreibende Hürde

Kims Gruppe ist auf die Herstellung flexibler Halbleiterfilme spezialisiert. Die Forscher haben eine Technik namens Remote-Epitaxie entwickelt, bei der ultradünne, hochwertige Halbleiterfilme bei hoher Temperatur auf Wafern wachsen und selektiv abgeschält werden.

Kürzlich erregte ihre Arbeit die Aufmerksamkeit des Kosmetikunternehmens Amorepacific, das an der Entwicklung dünner, tragbarer Bänder zur kontinuierlichen Überwachung von Veränderungen der Haut interessiert war. Das Unternehmen schlug eine Zusammenarbeit mit Kim vor, um die flexiblen halbleitenden Filme der Gruppe zu etwas zu formen, das über lange Zeiträume getragen werden kann.

Doch schon bald stieß das Team auf ein Hindernis, das andere E-Skin-Designs noch nicht überwinden konnten: Schweiß. Die meisten experimentellen Designs betten Sensoren in klebrige, polymerbasierte Materialien ein, die nicht sehr atmungsaktiv sind. Andere Designs, die aus gewebten Nanofasern bestehen, können zwar Luft durchlassen, aber keinen Schweiß. Wenn eine E-Skin langfristig funktionieren soll, so Kim, muss sie nicht nur für Wasserdampf, sondern auch für Schweiß durchlässig sein.

"Schweiß kann sich zwischen der E-Skin und der Haut ansammeln, was zu Hautschäden und Sensorfehlfunktionen führen könnte", sagt Kim. "Also haben wir versucht, diese beiden Probleme gleichzeitig anzugehen, indem wir den Schweiß durch die E-Skin durchdringen lassen."

Den Schnitt machen

Als Inspiration für das Design dienten den Forschern die menschlichen Schweißporen. Sie fanden heraus, dass der Durchmesser der durchschnittlichen Pore etwa 100 Mikrometer beträgt und dass die Poren zufällig in der Haut verteilt sind. Sie führten erste Simulationen durch, um herauszufinden, wie sie künstliche Poren überlagern und anordnen könnten, ohne die tatsächlichen Poren der menschlichen Haut zu blockieren.

"Unsere einfache Idee ist, wenn wir künstliche Schweißkanäle in der elektronischen Haut bereitstellen und hochdurchlässige Wege für den Schweiß schaffen, können wir eine langfristige Überwachbarkeit erreichen", erklärt Yeon

Sie begannen mit einem periodischen Muster von Löchern, jedes etwa so groß wie eine echte Schweißpore. Sie fanden heraus, dass, wenn die Poren dicht beieinander liegen, in einem Abstand, der kleiner ist als ein durchschnittlicher Porendurchmesser, das Muster als Ganzes den Schweiß effizient durchlässt. Aber sie fanden auch heraus, dass, wenn dieses einfache Lochmuster durch einen dünnen Film geätzt wurde, der Film nicht sehr dehnbar war und leicht brach, wenn er auf die Haut aufgetragen wurde.

Die Forscher fanden heraus, dass sie die Festigkeit und Flexibilität des Lochmusters erhöhen konnten, indem sie dünne Kanäle zwischen den einzelnen Löchern schnitten und so ein Muster aus sich wiederholenden Hanteln anstelle von einfachen Löchern schufen, das die Dehnung entspannte, anstatt sie an einer Stelle zu konzentrieren. Dieses Muster erzeugte, wenn es in ein Material geätzt wurde, einen dehnbaren, kirigami-ähnlichen Effekt.

"Wenn man ein Stück Papier über einen Ball wickelt, ist es nicht anpassungsfähig", sagt Kim. "Aber wenn man ein Kirigami-Muster in das Papier schneidet, kann es sich anpassen. Also dachten wir, warum nicht die Löcher mit einem Schnitt verbinden, um eine kirigami-ähnliche Anpassungsfähigkeit auf der Haut zu haben? Gleichzeitig können wir Schweiß eindringen lassen."

Dieser Überlegung folgend, stellte das Team eine elektronische Haut aus mehreren funktionalen Schichten her, die sie jeweils mit hantelförmigen Poren versahen. Die Schichten der Haut bestehen aus einer ultradünnen, mit Halbleitern gemusterten Anordnung von Sensoren zur Überwachung von Temperatur, Feuchtigkeit, UV-Belastung und mechanischer Belastung. Dieses Sensorarray ist zwischen zwei dünnen Schutzfolien eingebettet, die alle mit einem klebrigen Polymerklebstoff überzogen sind.

"Die E-Skin ist wie menschliche Haut - sehr dehnbar und weich, und Schweiß kann durch sie hindurchdringen", sagt Yeon.

Die Forscher testeten die e-skin, indem sie sie auf das Handgelenk und die Stirn eines Freiwilligen klebten. Der Proband trug das Band eine Woche lang ununterbrochen. Während dieses Zeitraums maß die neue E-Skin zuverlässig seine Temperatur, den Flüssigkeitsstand, die UV-Belastung und den Puls, selbst bei schweißtreibenden Aktivitäten wie 30 Minuten Laufen auf einem Laufband und dem Verzehr einer scharfen Mahlzeit.

Das Design des Teams passte sich außerdem der Haut an und klebte an der Stirn des Probanden, als dieser aufgefordert wurde, wiederholt die Stirn zu runzeln, während er stark schwitzte. Im Vergleich zu anderen E-Skin-Designs, die nicht schweißdurchlässig waren und sich leicht von der Haut lösten.

Kim plant, die Festigkeit und Haltbarkeit des Designs zu verbessern. Während das Band dank seiner Kirigami-Musterung sowohl schweißdurchlässig als auch sehr anpassungsfähig ist, ist es genau diese Musterung, gepaart mit der ultradünnen Form des Bandes, die es ziemlich anfällig für Reibung macht. Daher mussten die Probanden eine Hülle um das Band tragen, um es bei Aktivitäten wie dem Duschen zu schützen.

"Weil die E-Skin sehr weich ist, kann sie physisch beschädigt werden", sagt Yeon. "Unser Ziel ist es, die Widerstandsfähigkeit der elektronischen Haut zu verbessern."

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