PennState entwickelt dehnabres 3D-gedrucktes Material für präzise Sensoranwendungen
Ein Forschungsteam der Pennsylvania State University (PennState) hat ein neues 3D-gedrucktes Material entwickelt, welches dehnbar und weich ist. Dieses Material imitiert die Eigenschaften von Geweben und Organen ohne komplexe Aktivierungsprozesse und eignet sich ideal für die Herstellung tragbarer Geräte wie Sensorsysteme, die am Finger getragen werden können. Die Innovation kann zur Aufzeichnung von Muskelaktivitäten und Dehnungsmessungen, insbesondere in der assistiven Technologie, genutzt werden. Der Ansatz überwindet viele Nachteile früherer Herstellungsmethoden, wie geringe Leitfähigkeit oder das Versagen von Geräten.
Tao Zhou, Assistenzprofessor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik sowie für Biomedizin am College of Engineering und für Materialwissenschaften und Technik am College of Earth and Mineral Sciences erklärt: „Seit fast einem Jahrzehnt werden weiche und dehnbare Sensoren entwickelt, aber die Leitfähigkeit ist in der Regel nicht sehr hoch. Die Forscher erkannten, dass sie mit Leitern auf Flüssigmetallbasis eine hohe Leitfähigkeit erreichen können, aber die wesentliche Einschränkung dabei ist, dass eine sekundäre Methode zur Aktivierung des Materials erforderlich ist, bevor es eine hohe Leitfähigkeit erreichen kann.“
Der Druckprozess sowie verschiedene gedruckte Formen, die die Vielseitigkeit und Anpassungsfähigkeit des Materials verdeutlichen. (Bild: PennState University)
Ein Vorteil des neuen Werkstoffes ist, dass er keine komplexen sekundären Aktivierungsprozesse benötigt, die bei herkömmlichen Flüssigmetallen erforderlich sind. Dehnbare Leiter auf Flüssigmetallbasis leiden normalerweise unter der Komplexität und den Herausforderungen dieser Prozesse. Zu den sekundären Aktivierungsmethoden gehören Dehnung, Kompression, Scherreibung, mechanisches Sintern und die Laseraktivierung, die alle zu Problemen bei der Produktion und zum Auslaufen von Flüssigmetall führen können, was letztlich zum Ausfall von Bauteilen führt. Das neue dehnbare Material umgeht diese Probleme, da es keine sekundäre Aktivierung erfordert, was die Herstellung tragbarer Geräte erheblich vereinfacht. Zhou erklärt: „Unsere Methode erfordert keine sekundäre Aktivierung, um das Material leitfähig zu machen. Das Material kann sich selbst zusammensetzen, sodass seine untere Oberfläche sehr leitfähig und seine obere Oberfläche selbst isolierend ist.“
Das Material funktioniert folgendermaßen: Es besteht aus einer Kombination von Flüssigmetall und einem leitfähigen Polymergemisch aus PEDOT und hydrophilen Polyurethan, welches das Flüssigmetall in Partikel umwandelt. Diese Zusammensetzung ermöglicht es dem Material, sich selbst zusammenzufügen. Beim Erhitzen und Drucken des weichen Verbundmaterials ordnen sich die Flüssigmetallpartikel auf der Unterseite zu einem leitfähigen Pfad an. Die Partikel der oberen Schicht werden einer sauerstoffreichen Umgebung ausgesetzt, wodurch sie oxidieren und eine isolierte obere Schicht bilden. Die leitfähige Schicht ist entscheidend für die Übertragung von Informationen an den Sensor, beispielsweise bei der Aufzeichnung von Muskelaktivitäten oder der Erfassung von Belastungen am Körper. Die isolierte Schicht verhindert Signalverluste, die zu einer weniger genauen Datenerfassung führen könnten. HIER erfahren Sie mehr über das Projekt.
Das Gerät erfasst EMG-Signale auf der Haut zur Überwachung von Muskelaktivitäten (d) und kann verschiedene Fingerbeugewinkel erkennen, die den Stromfluss durch das Gerät beeinflussen (e). (Bild: PennState University)
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*Titelbildnachweis: Marzia Momin
