Das „Unbehagen“ tragbarer elektronischer Geräte beenden? Ein neues Material eröffnet eine neue Ära intelligenter Wearables!

□ Li Chuanfu

Mit der rasanten Entwicklung der Technologie sind tragbare elektronische Geräte nach und nach zu einem unverzichtbaren Teil des Lebens der meisten Menschen geworden. Von Smartwatches, die Gesundheitsdaten überwachen, bis hin zu intelligenter Kleidung, die ein angenehmes Tragegefühl bietet, verändern diese innovativen Produkte die Art und Weise, wie wir mit Technologie interagieren. Allerdings wurde die Entwicklung tragbarer elektronischer Geräte lange Zeit durch eine zentrale technische Herausforderung eingeschränkt: die Starrheit herkömmlicher Elektrodenmaterialien.

Das Aufkommen weicher, elastischer Elektrodenmaterialien hat dieses Dilemma gelöst. Kürzlich veröffentlichten Wissenschaftler der University of California in San Diego in der Fachzeitschrift Science Robotics ein neues wissenschaftliches Forschungsergebnis: Es handelt sich um ein tragbares elektronisches Gerät, das aus einem Polymerelektrodenmaterial entwickelt wurde, das sowohl leitfähig als auch dehnbar ist, sodass die Beschwerden des Trägers nicht größer werden.

Herkömmliche Elektrodenmaterialien wie Metalle und starre anorganische Verbindungen zeichnen sich durch eine hervorragende Leitfähigkeit aus, ihre mechanischen Eigenschaften genügen den Anforderungen tragbarer Geräte jedoch nicht. Die menschliche Haut ist weich und elastisch, während steife Elektrodenmaterialien nicht eng an der Haut anliegen können, was zu einer ungenauen und instabilen Signalerfassung führt. Dies ist ein schwerer Test für tragbare Geräte, die auf einer präzisen Überwachung von Biosignalen beruhen, wie etwa Herzfrequenzmonitore und Blutzuckermessgeräte.

Um die Einschränkungen herkömmlicher Elektrodenmaterialien zu überwinden, arbeiten Wissenschaftler an der Entwicklung verschiedener weicher und elastischer Elektrodenmaterialien. Zu den wichtigsten weichen, elastischen Elektrodenmaterialien zählen derzeit leitfähige Polymere und Kohlenstoffnanomaterialien wie Graphen und Kohlenstoffnanoröhren.

Leitfähige Polymere weisen eine gute Flexibilität und Verarbeitbarkeit auf und ihre Leitfähigkeit kann durch chemische Dotierung oder strukturelles Design reguliert werden. Beispielsweise behalten leitfähige Polymere wie Polyanilin und Polythiophen auch beim Dehnen und Biegen ihre gute Leitfähigkeit und können durch Lösungsverarbeitung zu Filmen oder Fasern verarbeitet werden, die für großflächige tragbare elektronische Geräte geeignet sind.

Als Vertreter der Kohlenstoffnanomaterialien verfügen Graphen und Kohlenstoffnanoröhren über eine hervorragende Leitfähigkeit, mechanische Festigkeit und Flexibilität. Graphen ist ein zweidimensionales Material, das aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen mit extrem hoher Trägerbeweglichkeit und ausgezeichneter Flexibilität besteht; Kohlenstoffnanoröhren sind eindimensionale Nanomaterialien mit einem großen Aspektverhältnis und können beim Biegen und Strecken eine gute Leitfähigkeit beibehalten. Forscher können diese Kohlenstoffnanomaterialien mit Polymeren kombinieren, um leistungsstarke, weiche, elastische Elektroden herzustellen.

Es gibt verschiedene Methoden zur Herstellung weicher, elastischer Elektrodenmaterialien. Die chemische Synthese ist eine gängige Methode zur Herstellung leitfähiger Polymere. Durch die Kontrolle der Reaktionsbedingungen und des Verhältnisses der Reaktanten können weiche, elastische Elektrodenmaterialien mit spezifischen Strukturen und Eigenschaften präzise synthetisiert werden. Beispielsweise können bei der Synthese leitfähiger Polymere deren Leitfähigkeit und Flexibilität durch Anpassung der Art und Konzentration der Dotierstoffe optimiert werden. Die Lösungsverarbeitung ist eine einfache, kostengünstige Methode, die problemlos in Massenproduktion hergestellt werden kann. Beispielsweise lösen Forscher leitfähige Polymere in geeigneten Lösungsmitteln auf und verarbeiten sie durch Spin-Coating, Tintenstrahldruck oder Siebdruck zu dünnen Filmen oder Mustern. In ähnlicher Weise können Kohlenstoffnanoröhren und Graphen durch Lösungsverarbeitung zu weichen und elastischen Elektroden verarbeitet werden.

Das Aufkommen weicher, elastischer Elektrodenmaterialien hat breite Anwendungsmöglichkeiten für tragbare elektronische Geräte eröffnet. Im Bereich der Gesundheitsüberwachung können weiche, elastische Elektroden in Smart-Armbänder, Smart-Pflaster und Smart-Kleidung integriert werden, um physiologische Parameter wie Herzfrequenz, Blutdruck, Blutzucker, Körpertemperatur usw. in Echtzeit zu überwachen. Diese Elektroden liegen eng an der Haut an, erfassen biologische Signale präzise und bieten zuverlässige Datenunterstützung für die medizinische Diagnose und das Gesundheitsmanagement. Im Bereich Sport-Tracking können weiche, elastische Elektroden in tragbaren Geräten die Bewegungen, Körperhaltungen und Muskelaktivitäten von Sportlern überwachen und ihnen so dabei helfen, ihre Trainingspläne zu optimieren, ihre sportliche Leistung zu verbessern und das Verletzungsrisiko zu verringern. Im Bereich der Mensch-Computer-Interaktion können weiche, elastische Elektrodenmaterialien auf Geräten wie Smarthandschuhen und Smartwatch-Armbändern angebracht werden, um natürlichere und intuitivere Bedienungsmethoden zu erreichen. Beispielsweise können weiche, elastische Elektrodenmaterialien die Steuerung elektronischer Geräte ermöglichen, indem sie das Beugen und Berühren von Fingern erkennen. Darüber hinaus können sie auch in Geräten zur Energiegewinnung und -speicherung wie flexiblen Solarzellen und Superkondensatoren eingesetzt werden, um tragbare Geräte kontinuierlich mit Energie zu versorgen.

Auch in Zukunft werden weiche, elastische Elektrodenmaterialien weiter weiterentwickelt und verbessert, sodass tragbare elektronische Geräte dünner, bequemer, intelligenter und multifunktionaler werden. Sie sind nicht nur Hilfsmittel in unserem Leben, sondern werden eher zu einem Teil unseres Körpers und bringen beispiellosen Komfort und Erfahrung in die Gesundheit, Arbeit und Unterhaltung der Menschen.

(Der Autor ist Ingenieur am Green Energy Industrial Research Center der Huazhong University of Science and Technology und Mitglied der Royal Society of Chemistry)