Schweißbetriebene elektronische Haut

E-Haut, die vollständig durch Schweiß betrieben wird, kann die Gesundheit überwachen

27.04.2020 - USA

Eine der Möglichkeiten, wie wir die Welt um uns herum erleben, ist durch unsere Haut. Von der Wahrnehmung von Temperatur und Druck bis hin zu Vergnügen oder Schmerz sagen uns die vielen Nervenenden in unserer Haut eine Menge.

Auch unsere Haut kann der Außenwelt viel über uns erzählen. Mütter drücken ihre Hände gegen unsere Stirn, um zu sehen, ob wir Fieber haben. Bei einer Verabredung kann es vorkommen, dass wir während eines intimen Gesprächs auf unseren Wangen erröten. Die Leute im Fitnessstudio könnten aus den Schweißperlen auf Ihnen schließen, dass Sie ein gutes Training haben.

Aber Wei Gao von Caltech, Assistenzprofessor in der Abteilung für Medizintechnik von Andrew und Peggy Cherng, möchte noch mehr über Sie von Ihrer Haut erfahren, und zu diesem Zweck hat er eine elektronische Haut, oder E-Haut, entwickelt, die direkt auf Ihre echte Haut aufgetragen wird. In die aus weichem, flexiblem Gummi hergestellte E-Haut können Sensoren eingebettet werden, die Informationen wie Herzfrequenz, Körpertemperatur, Blutzuckerspiegel und metabolische Nebenprodukte, die Indikatoren für Gesundheit sind, und sogar die Nervensignale, die unsere Muskeln steuern, überwachen. Das Gerät benötigt dazu keine Batterie, da es ausschließlich mit Biobrennstoffzellen betrieben wird, die von einem körpereigenen Abfallprodukt gespeist werden.

Molekulare Kraftmesser

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"Eine der größten Herausforderungen bei dieser Art von tragbaren Geräten liegt auf der Stromseite", sagt Gao. "Viele Menschen benutzen Batterien, aber das ist nicht sehr nachhaltig. Einige Leute haben versucht, Solarzellen zu verwenden oder die Kraft der menschlichen Bewegung zu nutzen, aber wir wollten wissen: 'Können wir aus dem Schweiß genügend Energie gewinnen, um die Wearables mit Strom zu versorgen', und die Antwort ist ja.

Gao erklärt, dass menschlicher Schweiss sehr hohe Mengen der Chemikalie Laktat enthält, einer Verbindung, die als Nebenprodukt normaler Stoffwechselprozesse entsteht, vor allem von den Muskeln während des Trainings. Die in die E-Haut eingebauten Brennstoffzellen absorbieren dieses Laktat und verbinden es mit Sauerstoff aus der Atmosphäre, wobei Wasser und Pyruvat, ein weiteres Nebenprodukt des Stoffwechsels, entstehen. Während ihres Betriebs erzeugen die Biobrennstoffzellen genügend Elektrizität, um Sensoren und ein Bluetooth-Gerät ähnlich dem, das Ihr Telefon mit dem Autoradio verbindet, mit Strom zu versorgen, so dass die E-Haut die Messwerte ihrer Sensoren drahtlos übertragen kann.

"Während die Nahfeldkommunikation ein üblicher Ansatz für viele batterielose E-Haut-Systeme ist, könnte sie nur für die Energieübertragung und das Auslesen von Daten über eine sehr kurze Distanz genutzt werden", sagt Gao. "Die Bluetooth-Kommunikation verbraucht zwar mehr Energie, ist aber ein attraktiverer Ansatz mit erweiterter Konnektivität für praktische medizinische und robotische Anwendungen".

Die Entwicklung einer Energiequelle, die mit Schweiß betrieben werden kann, war nicht die einzige Herausforderung bei der Herstellung der E-Haut, sagt Gao; sie musste auch lange Zeit mit hoher Energieintensität bei minimaler Degradation halten. Die Biobrennstoffzellen bestehen aus Kohlenstoff-Nanoröhren, die mit einem Platin/Kobalt-Katalysator imprägniert sind, und einem Verbundnetz, das ein Enzym enthält, das Laktat abbaut. Sie können eine kontinuierliche, stabile Leistungsabgabe (bis zu mehreren Milliwatt pro Quadratzentimeter) über mehrere Tage im menschlichen Schweiss erzeugen.

Gao sagt, es sei geplant, eine Vielzahl von Sensoren zu entwickeln, die in die E-Haut eingebettet werden können, so dass sie für verschiedene Zwecke verwendet werden kann.

"Wir wollen, dass dieses System eine Plattform ist", sagt er. "Es ist nicht nur ein tragbarer Biosensor, sondern kann auch eine Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine sein. Die mit dieser Plattform gesammelten Vitalparameter und molekularen Informationen könnten für die Entwicklung und Optimierung der Prothetik der nächsten Generation verwendet werden. "

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