Elektronische Fäden könnten Gesundheitsmonitore in Kleidung nahezu unsichtbar machen

Elektronik, die sich wie gewöhnlicher Faden biegen, dehnen und bewegen lässt, könnte tragbare Gesundheitsmonitore bald nahezu unsichtbar in Kleidung integrieren.

Ingenieure haben flexible integrierte Schaltkreise entwickelt, die direkt auf Fäden aufgebaut sind. Dadurch können komplexe elektronische Systeme sich aufrollen, biegen und sich auf natürliche Weise an den menschlichen Körper anpassen.

Die Technologie könnte langfristig Kleidung ermöglichen, die Gesundheitsdaten kontinuierlich erfasst, sowie Sensoren, die die Atmung ohne sperrige Geräte überwachen. Denkbar wären sogar elektronische Nähte, die Heilungsprozesse im Körper verfolgen.

Das von Sameer Sonkusale, Ingenieurprofessor an der Tufts University, geleitete Team fertigte die Schaltkreise aus weichen Materialien mit einem Herstellungsverfahren, das keinen teuren Reinraum benötigt.

Entstanden ist damit eine neue Form der Elektronik, die sich weniger wie herkömmliche Hardware und stärker wie die Textilien verhält, die wir bereits tragen.

Ganze Schaltkreise direkt auf Fäden

Um dies zu erreichen, integrierten Sonkusale und sein Team sämtliche Bauteile eines komplexen integrierten Schaltkreises in Fadenform.

Dazu gehörten Transistoren, Sensoren und alle weiteren Komponenten, anstatt sie auf einer klassischen ebenen Oberfläche aufzubauen.

Das unterscheidet sich grundlegend von der herkömmlichen Elektronikfertigung und schafft Möglichkeiten für Geräte, die eher wie Stoff als wie Hardware funktionieren.

„Indem wir Elektronik von flachen Patches auf frei formbare Fäden verlagert haben, haben wir einen Weg zu tragbarer Bioelektronik eröffnet, die eher Fasern als Hardware ähnelt“, sagte Sonkusale.

„Sie werden weich, dehnbar und in der Lage sein, der Körperform zu folgen, statt den Körper dazu zu zwingen, sich dem Gerät anzupassen. Möglicherweise könnten sie sogar wie Nähte eingesetzt werden, um Vorgänge im Körper zu überwachen.“

Gesundheitsmonitore, die kaum auffallen

Tragbare Geräte sind bereits weit verbreitet. Mehr als ein Drittel der Erwachsenen in den USA nutzt Smartwatches oder smarte Ringe, von denen viele eine Form der Gesundheitsüberwachung bieten.

Fadenbasierte integrierte Schaltkreise könnten diese Entwicklung noch weiter vorantreiben. Gesundheitsmonitore ließen sich unmittelbar in Kleidung, weiche Schnittstellen oder Fäden mit Hautkontakt einweben.

Solche Geräte könnten sich natürlich mit dem Körper bewegen, anstatt steif auf ihm aufzuliegen. Die möglichen medizinischen Anwendungen reichen dabei weit über Fitness-Tracking hinaus.

Die Forschenden verweisen beispielsweise auf Nähte, die die Wundheilung direkt überwachen können.

Sensoren auf Fadenbasis könnten außerdem Bewegungsmuster erfassen, die mit kognitivem Abbau oder einem erhöhten Sturzrisiko bei älteren Patientinnen und Patienten zusammenhängen. Sie könnten sogar Unregelmäßigkeiten der Atmung bei Säuglingen erkennen.

Bei solchen Anwendungen könnte ein weicher, unauffälliger Sensor deutlich wichtiger sein als ein herkömmliches starres Gerät.

Elektronische Fäden zeigen ihr Potenzial

Als ersten Machbarkeitsnachweis demonstrierten die Forschenden Schaltkreise, die Signale empfindlicher Sensoren verstärken können.

Sie entwickelten ein Gerät, das an der Schläfe angebracht wird und Lidschläge erkennt. Ein weiteres wurde nahe dem Zwerchfell positioniert, um Veränderungen der Atemmuster und der Atemfrequenz zu verfolgen.

Beide Demonstrationen weisen auf eine Zukunft weicher, fadenbasierter tragbarer Systeme hin. Diese Geräte könnten Gesundheitsindikatoren wie Stress oder die Atemfunktion überwachen, ohne dass die tragende Person sie kaum wahrnimmt.

„Die Technologieplattform befindet sich noch in einem frühen Stadium“, sagte Hauptautor Wenxin Zeng, Doktorand der Elektrotechnik an der Tufts University.

„Wir erwarten jedoch, die Geschwindigkeit und Präzision der Herstellung sowie die Fähigkeit der fadenbasierten integrierten Schaltkreise zu verbessern, komplexere Funktionen auszuführen.“

Die Technologie hinter dem elektronischen Faden

Im Kern jedes elektronischen Geräts verläuft ein dünner, mit Gold beschichteter Faden. An diesem Faden sind winzige, vollständig flexible Transistoren angebracht.

Diese Transistoren bilden die grundlegenden Bausteine jedes digitalen Geräts. Ein leitfähiges, kunststoffähnliches Material verbindet sie auf beiden Seiten mit dem Goldfaden.

Der Elektronenfluss durch den Transistor wird ähnlich wie bei einem Wasserhahn ein- und ausgeschaltet. Ein zweiter Strom fungiert als Gate und arbeitet im Wesentlichen wie ein Ventil.

Die entscheidende Innovation, die dies ermöglicht, ist ein Material namens Eutektogel.

Dieses Gel bildet zwischen zwei Enden des elektronischen Fadens einen weniger als einen Millimeter breiten Zwischenraum. In diesem Bereich lässt sich der Elektronenfluss in einem fadenbasierten Widerstand, Kondensator, Sensor oder anderen Bauteil präzise steuern.

Frühere Versuche anderer Forschungsgruppen nutzten für vergleichbare Verbindungen Hydrogele, die jedoch mit der Zeit austrocknen.

Das Eutektogel umgeht dieses Problem vollständig: Es bleibt stabil, weich und für einen längeren Kontakt auf oder im Körper sicher.

Schaltkreise mit Selbstheilungsfunktion

Das Eutektogel bietet einen unerwarteten zusätzlichen Vorteil: Es verleiht dem Transistor eine echte Fähigkeit zur Selbstreparatur.

Wenn das Gel bricht, stellten die Forschenden fest, dass sich sowohl seine mechanische Struktur als auch seine elektrische Funktion wiederherstellen lassen, indem die getrennten Teile einfach zusammengeführt und leicht erwärmt werden.

Der elektronische Faden selbst lässt sich nicht reparieren, wenn er tatsächlich durchtrennt wird. Die Gelkomponenten im Kern jedes Transistors können jedoch wieder verbunden werden.

Diese Eigenschaft könnte die praktische Lebensdauer der Geräte auf eine Weise verlängern, die starre Elektronik nicht erreichen kann.

Niedrigere Kosten für flexible Elektronik

Anders als herkömmliche integrierte Schaltkreise benötigen diese fadenbasierten elektronischen Schaltkreise während der Fertigung überhaupt keinen Reinraum.

Traditionelle Schaltkreise erfordern üblicherweise Fotolithografie, bei der strukturierte Materialschichten präzise auf einer Oberfläche abgeschieden werden, oder andere Verarbeitungsverfahren bei hohen Temperaturen.

Dadurch ist der gesamte Ansatz deutlich besser mit weichen Polymeren und textilähnlichen Materialien vereinbar.

Vor allem eröffnet dies die Möglichkeit einer tatsächlich kostengünstigen Herstellung – ein Aspekt, der entscheidend sein könnte, falls diese Technologie jemals über das Labor hinaus skaliert und in Alltagskleidung Einzug hält.

Bildnachweis: Wenxin Zeng