Von Origami inspirierte Dehnungssensoren könnten die Krankheitsdiagnose verbessern – Physics World

Ein Forscherteam der University of Southern California (USC) hat dehnbare Dehnungssensoren entwickelt, die große und dynamische Verformungen genau messen – und damit den Weg für implantierbare Geräte zur Erkennung von Verformungen in Organen sowie eine Reihe möglicher Anwendungen in Wearables und Soft-Robotik ebnen.

Die von Origami inspirierten Sensoren, beschrieben in Wissenschaft Fortschritte, verfügen über faltbare 3D-Elektroden, die bei Verformung ihre Form verändern. Diese Änderungen führen zu Kapazitätsänderungen, sodass Beobachter die lokale Verformung genau messen können. Die resultierenden Sensoren verfügen über einen großen Dehnungsbereich, eine extrem niedrige Hysterese und schnelle Reaktionen – eine einzigartige Kombination von drei Sensoreigenschaften in einem einzigen Gerät.

Laut dem korrespondierenden Autor des Papiers Hangbo Zhao, Das Projekt wurde durch Gespräche mit Kollegen aus dem Bereich der weichen Robotik motiviert, die „die Notwendigkeit von Sensoren zum Ausdruck brachten, um die Verformungen ihrer weichen, stark deformierbaren Roboter genau zu messen“.

„Obwohl in diesem Bereich viel Arbeit geleistet wurde, haben wir eine wichtige Lücke identifiziert, nämlich die Entwicklung von Dehnungssensoren, die große Verformungen bei wiederholtem Gebrauch mit hoher Genauigkeit messen können. Wir haben ein neues Sensordesign entwickelt, um diese Herausforderung zu meistern, indem wir kleine 3D-Elektroden für die kapazitive Erfassung verwenden“, sagt er.

Zhao weist darauf hin, dass die Sensoren weitere attraktive Eigenschaften aufweisen, wie z. B. kleine Abmessungen und gerichtete Dehnungsreaktionen, die allesamt bei der Dehnungsmessung äußerst wünschenswert sind. „Außerdem sind sie klein und weich – und man kann einen Sensor ähnlich wie einen Verband einfach an ein Zielobjekt kleben, um die Verformung an der Sensorstelle zu messen“, erklärt er.

Organfunktion

Im Rahmen ihrer Forschung nutzte das Team die Sensoren, um die Verformungen weicher Kontinuumsarme – Darstellungen weicher Roboterarme – zu überwachen, indem es mehrere davon an einzelnen Armen befestigte und die Reaktionen maß. Durch die Analyse der Sensorreaktionen konnten die Forscher verschiedene Verformungsmodi unterscheiden. Da die Sensoren große und schnelle Verformungen genau messen können, sieht das Team ein breites Spektrum möglicher Anwendungen, insbesondere in der Medizin und im Gesundheitswesen.

„Diese Sensoren können möglicherweise als tragbare oder implantierbare biomedizinische Geräte zur Gesundheitsüberwachung dienen. Mit ihnen lassen sich beispielsweise Gelenkbewegungen verfolgen oder die dynamischen Aktivitäten verschiedener Organe beobachten“, sagt Zhao.

Eine weitere wichtige potenzielle Anwendung ist die Überwachung der Organfunktion, beispielsweise die Erkennung des überaktiven Blasensyndroms – einer Erkrankung, die durch häufigen und plötzlichen Harndrang gekennzeichnet ist. Durch die Implantation der Dehnungssensoren könnten Ärzte laut Zhao die Expansions- und Kontraktionsmuster der Blase kontinuierlich überwachen und so detaillierte Einblicke in ihr Verhalten im Laufe des Tages gewinnen.

„Diese Daten können bei der Diagnose des Schweregrads der Erkrankung und bei der Entwicklung personalisierter Behandlungspläne von entscheidender Bedeutung sein und dadurch die Behandlung des überaktiven Blasensyndroms im Vergleich zu aktuellen intermittierenden Beurteilungsmethoden erheblich verbessern“, erklärt er. „Solche detaillierten Echtzeitdaten könnten möglicherweise den Ansatz zur Bewältigung solcher Erkrankungen revolutionieren.“

Implantierbare Geräte

Letztlich, sagt Zhao, könnten die Sensoren so modifiziert werden, dass sie den Anforderungen an Biokompatibilität und Hermetik genügen, und als implantierbare Geräte zur Befestigung an Organen verwendet werden. Ein potenzieller Vorteil ihrer Verwendung für solche Anwendungen besteht darin, dass sie weich und dehnbar sind, was bedeutet, dass sie große Organverformungen genau und mit minimalem Unbehagen messen können.

Die Sensoren können zudem Verformungen kontinuierlich messen und so Aufschluss über den Funktionszustand von Organen geben – während bisherige Ansätze meist auf bildgebende Verfahren wie beispielsweise Ultraschall zurückgreifen, die nur im Krankenhausbereich zur Verfügung stehen.

Dehnungssensor für tragbare Elektronik kombiniert hohe Empfindlichkeit mit großem Erfassungsbereich

„Implantierbare Sensoren befinden sich größtenteils noch im Forschungsstadium, insbesondere Sensoren zur Messung von Organverformungen. Unsere derzeitigen Sensoren eignen sich noch nicht für den Einsatz in Organen, aber nach einigen Modifikationen ist dies möglich“, sagt Zhao.

Das Team optimiert nun die Sensorleistung, um die Geräte zuverlässiger für den praktischen Einsatz in verschiedenen Umgebungen zu machen. Dazu gehört beispielsweise, sie mechanisch robuster gegen Kontaktkräfte oder elektromagnetische Störungen zu machen. „Wir prüfen auch, wie wir die Sensoren für implantierbare Anwendungen modifizieren können, damit die Sensoren in der Umgebung von Körperflüssigkeiten zuverlässig funktionieren“, fügt Zhao hinzu.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/origami-inspired-strain-sensors-could-enhance-disease-diagnostics/