Elektronische Haut heilt sich unter Wasser ohne Strom

Eine elektronische Haut aus Singapur spürt Verletzungen wie echtes Gewebe und heilt sich anschließend selbst, selbst unter Wasser. Forscher:innen der National University of Singapore (NUS) unter Leitung von Assistant Professor Tan Yu Jun haben ein magnetoelektrisches Sensorsystem namens SMES entwickelt, das Berührungen registriert, Schäden erkennt und sich danach eigenständig repariert. Das System benötigt dafür keine externe Stromquelle und funktioniert sowohl an Luft als auch im Wasser zuverlässig. Bisherige Unterwassersensoren gelten als empfindlich, abhängig von externer Energiezufuhr und praktisch nicht reparierbar, sobald eine Beschädigung auftritt. Ein Loch im Sensor bedeutete bislang meist den Ausfall des gesamten Geräts, mit spürbaren Folgen für Taucher:innen und Unterwasserroboter.

Aufbau nach dem Vorbild der Haut

Das Material besteht aus mehreren Schichten auf einem dehnbaren, selbstheilenden Elastomer mit eingebetteten Leitern aus Flüssigmetall. Eine obere Schicht übernimmt die Schadenserkennung, eine darunterliegende Schicht die eigentliche Sensorik. Wird die obere Schicht durchstochen oder geschnitten, steigt ihr elektrischer Widerstand sprunghaft an und meldet die Verletzung, ähnlich einem Schmerzsignal im menschlichen Körper. Reversible molekulare Verbindungen im Elastomer sorgen anschließend dafür, dass sich getrennte Flächen bei Kontakt wieder verbinden. Nach Nadelstichen erreicht der Sensor seine ursprüngliche elektrische Leistung innerhalb weniger Sekunden zurück, bei tieferen Schnitten genügt kurzer mechanischer Druck, um die Heilung einzuleiten. Die beiden Schichten bleiben dabei physisch getrennt, sodass das System eine gewöhnliche Berührung von einer echten Verletzung unterscheiden kann.

Bessere Heilung unter Wasser als an Land

Das Elastomer erreicht eine elastische Rückstellung von bis zu 92 Prozent. Unter leichter Erwärmung liegt die Heilungseffizienz nach sieben Tagen an Luft bei etwa 82 Prozent, nach zehn Tagen unter Wasser dagegen bei fast 100 Prozent. Diese Eigenschaft überrascht, weil Wasser die Verbindung vieler Klebstoffe und Selbstheilungsmaterialien normalerweise erschwert. Die Sensorik selbst arbeitet über elektromagnetische Induktion: Ein kleiner Magnet und eine Spule aus Flüssigmetalldraht erzeugen bei Annäherung oder Druck eine Spannung, ganz ohne Batterie. Die Reaktionszeit liegt bei rund 41 Millisekunden, etwa zehnmal schneller als ein Lidschlag, und nach zehntausend Belastungszyklen blieb die Ausgabe stabil. Auch die Fähigkeit zur Näherungserkennung veränderte sich nach zehn Tagen Unterwassereinsatz in simuliertem Meerwasser kaum.

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Taucherhandschuh und Roboterhand als Testfelder

Für die Praxis bauten die Forscher:innen zwei Prototypen. Ein Taucherhandschuh überträgt fünf Handgesten als Statusmeldungen wie „Normal“, „Auftauchen“ oder „Hilfe“ per Bluetooth an ein Smartphone, während rote LEDs bei schweren Schäden aufleuchten. Eine Roboterhand mit derselben Technologie griff unter Wasser Gegenstände und erkannte dabei Stichschäden durch scharfe Muschelschalen, angezeigt über ein Ampelsystem aus grünen, gelben und roten LEDs. Tan sieht in der Technologie Potenzial für Prothesen, Wearables und weitere Mensch-Maschine-Schnittstellen, die unter unvorhersehbaren Bedingungen ihre Umgebung wahrnehmen und Schäden eigenständig beheben sollen. Ein Inspektionsroboter mit dieser Haut könnte künftig an einer Pipeline entlangtasten, Hindernisse erkennen und einen Riss in der eigenen Oberfläche reparieren, ohne dafür an die Oberfläche zurückgeholt zu werden. Bis dahin bleibt die Technologie im Prototypenstadium: Größere Schnitte erfordern weiterhin manuellen Druck, und die vollständige Heilung kann mehrere Tage dauern.

via NUS