Umweltfreundliche tragbare Sensoren können frühe Anzeichen von Unterkühlung erkennen
Eine beginnende Unterkühlung kann durch die Überwachung von Veränderungen der Hauttemperatur, die Verlangsamung der Herzfrequenz und Körperbewegungen festgestellt werden, die weniger koordiniert ablaufen können, wenn die Körpertemperatur auf ein gefährliches Niveau sinkt. Doch solche Sensoren für die Fernüberwachung und Frühwarnung müssen leicht und biegsam sein und direkt auf der Haut getragen werden können. Im Rahmen des Projekts WEARSENSNANO wurde ein innovatives, tragbares Drucksensorsystem basierend auf natürlichen und biologisch abbaubaren Materialien von Grund auf entwickelt. Im Gegensatz zu den meisten starren Sensoren sind diese porös, können komprimiert werden, um sich den Körperbewegungen anzupassen, und sind sehr leicht. „Diese Sensoren können problemlos auf einem Blütenblatt liegen“, sagt Fevzihan Basarir, leitender Forscher am Fachbereich für Chemie und Werkstoffkunde der Aalto-Universität in Finnland. Er entwickelte die tragbaren Sensoren mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen völlig neu.
Biologisch abbaubarer Sensor
Die Sensoren bestehen aus biologisch abbaubaren Materialien, erklärt er und verweist auf das riesige Problem der Elektronikabfälle auf der ganzen Welt und den Bedarf an umweltfreundlicheren Technologien. Im Rahmen des Projekts wurde ursprünglich ein Drucksensor auf der Grundlage von Silbernanodrähten vorgeschlagen, doch die Synthese endete mit einer geringen Ausbeute. „Das bedeutet, dass eine Menge Silber verschwendet wird, und es ist nicht biologisch abbaubar, also bin ich auf Kohlenstoffpaste auf Biomassebasis umgestiegen“, erklärt Basarir. Die Kohlenstoffelektroden des umweltfreundlichen Sensors bestehen aus Kohlenstoff-Kryogelpartikeln, die mit natürlichem Wachs und Pflanzenöl vermischt sind, wodurch eine Kohlenstoffpaste mit geringem spezifischen Widerstand entsteht. Das poröse dielektrische Material wurde aus Pektin-Xerogelen hergestellt, die durch Gefrieren und Lösungsmittelaustausch gewonnen wurden. „Die Ansprechzeit unseres Sensors liegt bei 118 Millisekunden und er liefert selbst bei 10 000 Zyklen ein wiederholbares und konsistentes Ergebnis – die Leistung ist also wirklich gut“, erklärt er. Der Sensor wurde erfolgreich zur Erkennung menschlicher Bewegungen wie Gehen, Rennen und Kniebeugung, sowie Bewegungen des Handgelenks und des Zeigefingergelenks sowie des Lächelns und des Lidschlags eingesetzt.
Selbstbau-Sensor
Darüber hinaus wurden kostengünstige kapazitive Drucksensoren unter Verwendung leicht erhältlicher kommerzieller Komponenten hergestellt. Um ihre Anwendung zu demonstrieren, wurde ein Sensorgitter auf Baumwollstoff gefertigt und mit einem Arduino-Prozessor – einem Mikrosteuergerät mit integrierter quelloffener Software, die die Sensorsignale in Daten umwandelt – ausgestattet. So entstand eine tragbare „Tastatur“. Die Materialien und Komponenten sind alle frei auf dem Markt erhältlich. Basarir bezeichnete ihn als einen „Selbstbau-Sensor, den jeder selbst konstruieren kann“. „Der Vorteil ist, dass er nur 0,073 EUR kostet, einschließlich der Kosten für alle Materialien – er ist also sehr günstig“, sagt er.
Einsatz bei älteren Menschen
Das System wurde an gesunden Menschen getestet – mit guten Ergebnissen. Bei Unterkühlung seien Messungen sowohl von Druck- als auch von Temperatursensoren erforderlich, es sei jedoch nicht einfach, das System an Menschen mit Unterkühlung zu testen, erklärt Basarir. „Wenn Menschen unterkühlt sind, werden sie normalerweise direkt ins Krankenhaus gebracht, daher ist es schwierig, Menschen mit Unterkühlung zu finden. Das System wurde bisher nur zur Überwachung gesunder Menschen eingesetzt.“ Er fügt hinzu: „In der nächsten Phase werden wir die Sensoren bei älteren Menschen in ihren eigenen vier Wänden einsetzen.“ Er weist darauf hin, dass ältere Menschen eine wichtige Zielgruppe seien, da ein Fünftel der Bevölkerung in Europa über 65 Jahre alt ist und dieser Anteil innerhalb von 25 Jahren auf 30 % der Bevölkerung ansteigen wird. Die Arbeit steht auch im Einklang mit der Erforschung anderer tragbarer Technologien wie dem vom Europäischen Forschungsrat finanzierten Projekt ModelCom, bei dem es um die Anpassung intelligenter weicher Materialien in Textilien geht, die auf die Umgebung reagieren, und der Erforschung anderer intelligenter tragbarer Geräte wie dem des Projekts Smart2Go.
Schlüsselbegriffe
WEARSENSNANO, Unterkühlung, Sensoren, Nanodrähte, biologisch abbaubar, Drucksensoren, tragbare Sensoren, ältere Menschen
