30.07.2020

Flexible Sensoren messen Körperfunktionen

Biochemische Sensorchips analysieren Schweiß von Sportlern in Echtzeit.

Immer mehr Menschen möchten auch wissen, was die einzelnen Sport­einheiten in ihrem Körperinneren bewirken, beziehungs­weise mit welcher Übung sich die Fitness Fans vielleicht keinen Gefallen tun. Im inter­nationalen Wissenschafts­projekt XPatch kommen Experten der Biosensorik zusammen, um zukünftig mit Mikro­elektronik ausgestattete Pflaster für den Fitness- und Medizin­technikmarkt anbieten zu können, die genau diese Daten analysieren und direkt auf digitalen End­geräten abbilden können.

Abb.: Das elek­tronische Pflaster XPatch nimmt Körper­schweiß auf,...
Abb.: Das elek­tronische Pflaster XPatch nimmt Körper­schweiß auf, generiert in Echtzeit genauste Angaben und schickt diese direkt an das Smart­phone des Nutzers. (Bild: V. Mai, Fh.-IZM)

In dem kleinen Gesundheits­monitor sind Antennen und integrierte Schaltkreise für die drahtlose Funk-Kommuni­kation mit einem Bluetooth-fähigen Endgerät, eine flexible Mikro­batterie zur autarken Energie­versorgung, die Analogelektronik, der Sensorchip sowie das Power­management untergebracht. Die Mikro­elektronik-Experten des Fraunhofer-Institut für Zuver­lässigkeit und Mikro­integration entwickelten Aufbau- und Integrationstechnologie, um dünne Biosensoren und Elektronik­komponenten als flexible Pflaster zu realisieren, die eine praktische Anwendung bei den Sportlern im Alltag ermöglichen. Das Gesamt­system in Form eines Pflasters inklusive aller eingebauten Komponenten und Funk­tionalitäten soll am Ende deutlich dünner als ein Millimeter sein.

Da XPatch ein biokom­patibles und flexibles Modul zum Aufbringen auf der Haut ist, wurden dafür weiche und dehnbare, aber vor allem haut­ähnliche Materialien wie Poly­urethan und Silikon verwendet. Durch das Einbetten der Elektronik in hautähnliche Materialien sind alle Komponenten von der Rückseite des Pflasters geschützt und haben keinen direkten Kontakt mit der Haut. Der besondere Clou sind aber die dünnen bio­chemischen Sensor­chips: Sie sind dort auf der sensitiven Pflaster­oberfläche aufgebracht, wo der Kontakt zur Haut gewährleistet ist. Durch eine Öffnung im Substrat wird die Schweiß­analyse ermöglicht: Mittels eines winzigen Stück Vlies auf der freien Stelle des Pflasters hinter dem Chip wird der Körper­schweiß aufgenommen. Die in dem Chip ent­haltenen Sensoren sollen die gemessenen Infor­mationen in Echtzeit an ein Endgerät weitergeben und damit zur erfolgreichen Verbesserung der körper­lichen Fitness eingesetzt werden können.

So kann beispiels­weise der Schweiß der Sportler analysiert und die Messwerte für die Anwender unmittelbar auf mobilen Geräten sichtbar gemacht werden. Um die erfassten bioche­mischen Werte mittels einer drahtlosen Übertagung an ein Smartphone zu senden, wurde am Fraunhofer IZM zusätzlich eine energie­sparende auf dem Bluetooth Low Energy Übertragungs­standard basierende Funkschnitt­stelle in das flexible Pflaster integriert. Die für Sende- und Empfangs­betrieb nötige Antenne musste möglichst kompakt ausgelegt werden und gleichzeitig den Anwendungs­anforderungen hinsichtlich des Materials, der Formänderung und ihrer elek­trischen Eigen­schaften entsprechen.

Nachdem das ultra­sensitive Pflaster technisch erfolgreich validiert ist, wurden voll funktionsfähige Proto­typen aufgebaut, die im direkten Einsatz bei Sportbegeisterten ab Ende August getestet werden. Im Idealfall können die Technologien von Medizin­technikfirmen, Komponenten- und Material­herstellern genutzt werden, um eigene Produkte zu entwickeln oder zu verbessern. Die Einführung neuer Produkte, welche unter Einbindung der Ergebnisse dieses Projektes entstehen, wird in den nächsten fünf Jahren angestrebt.

Fh.-IZM / JOL

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