Faszination Technik Bunte Tattoos als Sensoren für Herz, Gehirn und Roboterhände

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In unserer Rubrik „Faszination Technik" stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: Tattoo-Sensoren zum Aufmalen, die Herzsignale messen und Roboterhände steuern.

Ingenieure der Penn State University haben aufmalbare Tattoos entwickelt, die frühzeitig Herzinfarkte erkennen, robotische Prothesen steuern und Hirnwellen auslesen können – in einem farbenfrohen, individuell gestaltbaren System, das sich leicht abwaschen und wieder auftragen lässt.

Leitfähige Tinte zum Aufmalen

Das Team hat eine vorläufige Patentanmeldung für eine leitfähige Tinte eingereicht, die Sensoren mit Strom versorgen kann und direkt in beliebigem Design auf die Haut gemalt wird. Die Tinte lässt sich mit jeder gewünschten Farbe einfärben und nutzt Materialien, die besser mit der Haut verbinden – dadurch sind die Sensoren nicht nur stilvoll, sondern auch empfindlicher, langlebiger und genauer als andere tragbare Sensordesigns. 

Die Grenzen traditioneller Elektroden

Wearable-Healthcare-Technologien werden laut Larry Cheng, korrespondierendem Autor der Studie, von Elektrodenkontakten angetrieben, die am Körper befestigt werden. Diese können den Gesundheitszustand und die Aktivität von Herz, Muskeln und Gehirn anhand elektrischer Signale interpretieren – als EEG-, ECG- oder EMG-Signale.
Traditionelle Elektroden aus starren, metallbasierten Materialien bieten zwar Stabilität, haften aber bei Bewegung oder Sport schlecht. Experimentelle Designs mit Hydrogel – woran Cheng seit über zehn Jahren forscht – können zwar dehnbar mit dem Körper mitgehen, trocknen jedoch mit der Zeit aus und verlieren dadurch Haftung und Elastizität. 

Erst-Autorin Wanqing Zhang erklärt, dass nicht nur das Ablösen der Elektroden zu ungenauen Messwerten führt, sondern bereits deren Anbringung: „Die meisten kommerziellen Elektroden werden im Labor oder in der Fabrik vorgefertigt und dann auf die Haut aufgelegt, wodurch ein Luftspalt zwischen Haut und Elektrode entsteht, der die Sensorleistung negativ beeinflusst. Um das zu lösen, haben wir eine leitfähige Tinte entwickelt, die direkt auf die Haut gemalt werden kann. Nach dem Trocknen fungiert sie als funktionale Elektrode.“

Wie Schminke, nur funktional

Das Team mischte verschiedene Polymere und säurehaltige Zusatzstoffe in eine wasserbasierte Lösung, um die Tinte herzustellen. Im nassen Zustand hat sie die Konsistenz von Klebstoff, trocknet aber in unter zehn Minuten auf der Haut – mit einem Fön lässt sich der Vorgang beschleunigen.„Die Tinte selbst verhält sich fast wie Schminke“, so Cheng. „Sie ist zunächst fast transparent, aber man kann sie mit Lebensmittelfarbe einfärben und in jedes gewünschte Design malen – wie einen Cartoon oder Superman. So lässt sich das Wearable komplett an die Vorlieben einer Person anpassen.“

Die aufgemalten Sensoren passen sich durch die direkte Anbringung besser an die Hautstruktur an, was die Messgenauigkeit verbessert. Der Aufbau im Detail:

• Der leitfähige Anschlussbereich wird auf ein poröses Silber-Textil gemalt, das wie ein Metallgewebe wirkt. 
• Die feuchte Tinte fließt in das Textil ein, bevor sie aushärtet und an der Haut haftet.
• Der Anschluss wird anschließend in ein größeres Elektronikmodul gesteckt, das unter der Kleidung getragen wird.
• Dieses Modul überträgt die Signale per Bluetooth an einen Computer.
• Die poröse Struktur erlaubt es den Elektroden, sich auf über 150 Prozent ihrer ursprünglichen Größe zu dehnen, ohne zu reißen.
• Gleichzeitig haften sie dadurch gleichmäßiger an der Hautoberfläche.

Getestet im Alltag und beim Sport

In einem Experiment verfolgte das Team über zwölf Stunden erfolgreich die ECG-Werte eines Co-autors während dessen Alltagsaktivitäten. In einem weiteren Test blieben die Elektroden auch während eines Trainingsprogramms haftfähig und genau. Zudem gelang es dem Team, die EMG-Signale des Unterarms eines Co-Autors zu erfassen und an eine robotische Prothese weiterzuleiten – die Testperson konnte so eine Roboterhand steuern, ohne sie zu berühren.
„Obwohl wir die Alltagsanwendung über einen Zeitraum von 12 Stunden getestet haben, ist das nicht die Grenze dieser Elektroden“, so Cheng. „Die Elektroden selbst lassen sich abwaschen und einfach wieder auftragen. Die grundlegende Idee dahinter ist, dass man künftig ein teureres Sensormodul haben könnte, das vom System getrennt bleibt, während die Elektroden selbst wegwerfbar sind. Eine einzige Flasche Tinte reicht aus, um über mehrere Tage oder eine Woche hinweg genügend Elektroden aufzumalen.“ 

Die Elektroden selbst lassen sich abwaschen und einfach wieder auftragen.

Erstautorin Wanqing Zhang

Ausblick: Mehr als nur Herz und Muskeln

Das Team plant, die Elektroden weiterzuentwickeln, um künftig auch Biomarker wie Cortisol oder Glukose zu messen. Neben dem kommerziellen Einsatz in der Gesundheitsversorgung untersuchen die Forschenden auch ungewöhnliche Anwendungen – etwa „intelligente Pflanzen“, die Wissenschaftlern detaillierte Informationen über chemische Belastungen in der Umwelt liefern könnten.

Das Team stellte seine Arbeit in einer am 13. Juli in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Studie vor.