Elektronische Haut so flexibel wie Krokodilhaut

Das Team hinter der Forschung wurde von Professor Kilwon Cho, Dr. Giwon Lee und Dr. Jonghyun Son vom Fachbereich Chemieingenieurwesen bei POSTECH sowie einem Team unter der Leitung von Professor Seung Goo Lee vom Fachbereich Chemie der Universität geleitet Ulsan. Sie ließen sich vom einzigartigen Sinnesorgan der Krokodilhaut inspirieren und entwickelten Drucksensoren mit Mikrokuppeln und faltigen Oberflächen. Das Ergebnis war ein omnidirektional dehnbarer Drucksensor.

Krokodile, beeindruckende Raubtiere, die die meiste Zeit unter Wasser verbringen, besitzen eine bemerkenswerte Fähigkeit, kleine Wellen zu spüren und die Richtung ihrer Beute zu erkennen. Diese Fähigkeit wird durch ein unglaublich hochentwickeltes und empfindliches Sinnesorgan ermöglicht, das sich auf ihrer Haut befindet. Das Organ besteht aus halbkugelförmigen Sinneshöckern, die in einem sich wiederholenden Muster mit faltigen Scharnieren dazwischen angeordnet sind. Wenn das Krokodil seinen Körper bewegt, verformen sich die Scharniere, während der sensorische Teil von mechanischen Verformungen unberührt bleibt, wodurch das Krokodil beim Schwimmen oder Jagen unter Wasser eine außergewöhnliche Sensibilität gegenüber äußeren Reizen behält.

Dem Forschungsteam ist es gelungen, die Struktur und Funktion des Sinnesorgans des Krokodils nachzuahmen, um einen hochdehnbaren Drucksensor zu entwickeln. Durch die Erfindung eines halbkugelförmigen Elastomerpolymers mit zarten Falten, das entweder lange oder kurze Nanodrähte enthält, haben sie ein Gerät geschaffen, das die derzeit verfügbaren Drucksensoren übertrifft. Während andere Sensoren bei mechanischer Verformung an Empfindlichkeit verlieren, behält dieser neue Sensor seine Empfindlichkeit auch bei Dehnung in eine oder zwei verschiedene Richtungen.

Dank der feinen Faltenstruktur auf seiner Oberfläche behält der Sensor auch bei starker Verformung eine hohe Druckempfindlichkeit bei. Wenn eine äußere mechanische Kraft ausgeübt wird, entfaltet sich die Faltenstruktur und verringert so die Belastung des hemisphärischen Sensorbereichs, der für die Erkennung des ausgeübten Drucks verantwortlich ist. Durch diese Spannungsreduzierung behält der Sensor seine Druckempfindlichkeit auch bei Verformungen. Dadurch weist der neue Sensor eine außergewöhnliche Druckempfindlichkeit auf, selbst wenn er bis zu 100 % in eine Richtung und 50 % in zwei verschiedene Richtungen gedehnt wird.

Das Forschungsteam hat einen dehnbaren Drucksensor entwickelt, der für eine Vielzahl tragbarer Geräte mit unterschiedlichen Anwendungen geeignet ist. Um seine Leistung zu bewerten, montierten die Forscher den Sensor auf einem Plastikkrokodil und tauchten es in Wasser. Interessanterweise war der montierte Sensor in der Lage, kleine Wasserwellen zu erkennen und damit die Wahrnehmungsfähigkeiten des Sinnesorgans eines Krokodils erfolgreich nachzubilden.

„Dies ist ein tragbarer Drucksensor, der den Druck auch unter Zugbelastung effektiv erkennt“, erklärte Professor Cho, der das Team leitete. Er fügte hinzu: „Es könnte für verschiedene Anwendungen wie Drucksensoren in der Prothetik, elektronische Haut in der Soft-Robotik, VR, AR und Mensch-Maschine-Schnittstellen verwendet werden.“

Die Studie wurde mit Unterstützung der National Research Foundation of Korea des Ministeriums für Wissenschaft und IKT und des Programms „Key Research Institutes in Universities“ des Bildungsministeriums durchgeführt. Das Papier mit den Forschungsergebnissen war auf dem Cover von zu sehen Klein.