Anschmiegsame Elektronik

Bei vielen medizinischen Anwendungen wäre es hilfreich, wenn man den menschlichen Körper direkt an ein elektronisches Gerät anschliessen könnte. Genau das ermöglichen neuartige Materialien: Sie sind leicht verformbar und funktionieren doch wie herkömmliche Elektronik.

Die empfindsame Handprothese Arm Stumo  (Bild: © EPFL)

Die empfindsame Handprothese Arm Stumo (Bild: © EPFL)

Wenn Ingenieure an neuen elektronischen Bauteilen tüfteln, versuchen sie in der Regel, diese schneller, kleiner oder billiger zu machen. Stéphanie Lacour hingegen verfolgt ein anderes Ziel: Die Professorin für Neuroprothetik an der EPF Lausanne will elektronische Bauteile erstellen, die biegsam und elastisch sind. «Die üblichen elektronischen Geräte, vom Computer bis hin zum kleinen Sensor, haben einen grossen Nachteil: Sie sind aus starren Materialien gefertigt, die sich nicht verformen lassen», erklärt sie.

Die Wissenschaftlerin versucht mit ihrem Team, gängige Materialien wie Silizium, die für elektronische Bauteile verwendet werden, mit flexiblen Kunststoffen zu völlig neuen Einheiten zu verbinden. «Was wir anstreben, ist funktionale Flexibilität», meint die Forscherin. «Materialien also, die sich an jede beliebige Form anpassen und trotzdem wie herkömmliche elektronische Bauteile funktionieren.»

An solchen neuen Verbindungen wird heute nicht nur an der EPF Lausanne geforscht. So sind beispielsweise grosse Computerfirmen daran, Geräte zu entwickeln, deren Grösse und Form man verändern kann. Ein einfaches Smartphone liesse sich dann bei Bedarf auf Tabletformat strecken und sich danach einfach und bequem zusammenrollen.

Assistiert von einem Therapeuten machen die Patienten im «Lokomat» die ersten Gehversuche (Bild © Schweizer Paraplegiker-Stiftung)

Dieses elektronische Bauteil lässt sich beliebig verformen (Bild ©EPFL)

Empfindsame Haut für Prothesen

Stéphanie Lacour selbst konzentriert sich hingegen auf medizinische Anwendungen. Sie arbeitet etwa an einer Art künstlicher Haut, die sich perfekt an die Form des menschlichen Körpers anpasst. Dazu bestückt sie ein biegsames Grundmaterial mit Sensoren, die miteinander elektrisch verbunden sind.

Mit Hilfe von solchen Materialien könnte man beispielsweise Handprothesen bauen, mit denen die Umgebung sinnlich wahrgenommen wird. «Die Patienten könnten dann spüren, wie warm oder wie fest der Gegenstand ist, den sie mit der Prothese gerade anfassen. Das wäre für sie im Alltag eine grosse Erleichterung.» Biegsame elektronische Bauteile könnten auch helfen, elektronische Geräte an das menschliche Nervensystem anzuschliessen.

Das Nervengewebe im Gehirn oder im Rückenmark ist sehr weich und lässt sich nicht so ohne weiteres mit harten und steifen Elektroden aus Metall verbinden. Weiche und flexible Materialien, wie sie Stéphanie Lacour nun entwickelt, passen sich optimal an die Form des Nervengewebes an und übertragen damit die Signale der Nervenzellen besser.

Bis es soweit ist, braucht es allerdings noch viel Grundlagenarbeit, erklärt Lacour. «Wir müssen lernen, herkömmliche Stoffe auf völlig neue Weise miteinander zu kombinieren, damit wir Bauteile erhalten, die sich optimal mit dem menschlichen Körper kombinieren lassen.»

Wie eine gefaltete Papierfigur verändert dieser wandelbare Roboter seine Form (Bild: © EPFL)

Wie eine gefaltete Papierfigur verändert dieser wandelbare Roboter seine Form (Bild: © EPFL)

Ein wandelbarer Roboter

Was auf den ersten Blick wie eine geschickt gefaltete Origami-Papierfigur aussieht, ist in Tat und Wahrheit ein regelrechter Hightech- Roboter. Entwickelt hat ihn die Gruppe um Jamie Paik, Professorin am Reconfigurable Robotics Lab der EPF Lausanne. Der Clou an der Sache: Der Roboter kann sich selbständig in jede beliebige Form verwandeln.

Solche weichen Roboter, die auch Robogamis genannt werden, könnten in vielen Bereichen nützliche Funktionen übernehmen, ist Jamie Paik überzeugt. Beispielsweise auch im Operationssaal: Moderne Operationsroboter, die heute für präzise Eingriffe im Unterleib eingesetzt werden, sind regelrechte Monster. Denn nur mit einer aufwändigen Steuerung können die Operationsinstrumente in die richtige Position gebracht werden. Könnten sich die Roboter selber verformen, liessen sich kleinere Geräte bauen, die den Ärzten einen besseren Blick auf das Geschehen ermöglichen. Eine andere Anwendung sieht Jamie Paik bei Wundverbänden. An gewissen Stellen des Körpers ist es schwierig, die Verletzungen so abzudecken, dass der Verband stets mit der gleichen Festigkeit aufliegt. Ein Bauteil, das sich selbst verformen kann, könnte dafür sorgen, dass sich der Verband ständig an die Bewegungen des Patienten anpasst und die Wunde so stets optimal geschützt ist.

Um solche verformbaren Roboter zu entwickeln, muss Jamie Paik in verschiedenen Bereichen Neuland betreten. So benötigt die Forscherin beispielsweise völlig neue Antriebe, damit die kleinen Dreiecke, aus denen der formbare Roboter besteht, einzeln bewegt werden können. Eine weitere Herausforderung ist die Stromversorgung. «Im Moment verwenden wir kleine Batterien », erklärt Jamie Paik. «Doch längerfristig brauchen wir auch hier neue Lösungen. Ideal wäre, wenn wir Geräte durch eine erneuerbare Energiequelle mit Strom versorgen könnten.»

Text: SATW /Felix Würsten
Quelle: Technoscope 2/13: Technik für die Gesundheit. Technoscope ist das Technikmagazin der SATW für Jugendliche

Alle Artikel dieser Technoscope-Ausgabe sind im Dossier "Technik für die Gesundheit" auf SimplyScience.ch zusammengefasst.

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