Integrierte Schaltungen auf Fäden: Sameer Sonkusale von der Tufts University macht Elektronik tragbar

Elektronik, die sich biegen, dehnen und bewegen lässt wie ein gewöhnlicher Faden, könnte tragbare Gesundheitsmonitore bald so unauffällig machen, dass sie praktisch in Kleidung verschwinden.

Ingenieurinnen und Ingenieure haben flexible integrierte Schaltungen direkt auf Fäden aufgebaut. Dadurch können sich komplexe elektronische Strukturen natürlich aufrollen, knicken und an den menschlichen Körper anschmiegen.

Langfristig könnte daraus Bekleidung entstehen, die Gesundheitswerte kontinuierlich erfasst, oder Sensorik, die die Atmung überwacht – ganz ohne sperrige Geräte. Sogar elektronische Nähte wären denkbar, die Heilungsprozesse im Körperinneren verfolgen.

Unter der Leitung von Sameer Sonkusale, Professor für Ingenieurwissenschaften an der Tufts University, stellte das Team die Schaltungen mit weichen Materialien her – und mit einem Fertigungsablauf, der keinen teuren Reinraum voraussetzt.

Das Ergebnis ist eine neue Elektronik-Klasse, die sich weniger wie klassisches „Hardware“-Bauteil verhält und eher wie die Textilien, die wir ohnehin tragen.

Ganze Schaltungen auf einen Faden bringen

Um das zu erreichen, fertigten Sonkusale und sein Team sämtliche Bestandteile einer komplexen integrierten Schaltung in Fadenform.

Dazu gehörten Transistoren, Sensoren und alle dazwischenliegenden Komponenten – statt sie wie üblich auf einer flachen Trägerfläche aufzubauen.

Das ist ein deutlicher Bruch mit etablierten Fertigungsprinzipien in der Elektronik und schafft die Grundlage für Geräte, die sich eher wie Stoff als wie starre Technik verhalten.

„Indem wir Elektronik von planaren Patches auf frei formbare Fäden verlagern, haben wir einen Weg zu tragbarer Bioelektronik eröffnet, die eher Fasern als Hardware ähnelt“, sagte Sonkusale.

„Sie wird weich, dehnbar und in der Lage sein, der Körperform zu folgen, statt den Körper zu zwingen, sich dem Gerät anzupassen. Sie könnte sogar potenziell wie Nahtmaterial eingesetzt werden, um Prozesse im Körper zu überwachen.“

Gesundheitsmonitore, die man kaum bemerkt

Tragbare Geräte sind bereits weit verbreitet. Mehr als ein Drittel der Erwachsenen in den USA nutzt Smartwatches oder smarte Ringe, von denen viele irgendeine Form von Gesundheits-Tracking anbieten.

Integrierte Schaltungen auf Fäden könnten diese Entwicklung weiter vorantreiben. Gesundheitsmonitore liessen sich direkt in Kleidung einweben – oder in weiche Schnittstellen und Fäden integrieren, die die Haut berühren.

Statt starr auf dem Körper aufzuliegen, würden sich solche Systeme mit dem Körper mitbewegen. Die möglichen medizinischen Anwendungen reichen dabei deutlich über reines Fitness-Tracking hinaus.

So verweisen Forschende etwa auf Nahtmaterial, das die Wundheilung unmittelbar überwachen kann.

Ausserdem könnten fadenbasierte Sensoren Bewegungsmuster erfassen, die mit kognitivem Abbau oder einem erhöhten Sturzrisiko bei älteren Patientinnen und Patienten zusammenhängen. Ebenso wäre es möglich, Unregelmässigkeiten in der Atmung bei Säuglingen zu erkennen.

Gerade in solchen Einsatzfeldern kann ein weicher, unauffälliger Sensor wesentlich wichtiger sein als ein konventionelles, starres Gerät.

Elektronische Fäden zeigen ihr Potenzial

Als ersten Machbarkeitsnachweis präsentierte das Team Schaltungen, die Signale aus besonders empfindlichen Sensoren verstärken können.

Sie bauten ein System, das an der Schläfe sitzen und Blinzeln erkennen soll. Ein weiteres wurde in der Nähe des Zwerchfells platziert, um Veränderungen von Atemmuster und Atemfrequenz zu verfolgen.

Beide Demonstrationen deuten auf eine Zukunft weicher, fadenbasierter Wearables hin. Solche Geräte könnten Gesundheitsindikatoren wie Stress oder die Atemfunktion überwachen, ohne dass die Trägerin oder der Träger sie ständig wahrnimmt.

„Die Technologieplattform befindet sich noch in einem frühen Stadium“, sagte der leitende Autor Wenxin Zeng, Doktorand der Elektrotechnik an der Tufts.

„Aber wir erwarten, dass wir die Geschwindigkeit und Präzision der Fertigung verbessern – und dass die fadenbasierten integrierten Schaltungen künftig komplexere Funktionen ausführen können.“

Die Technik hinter dem Faden

Im Zentrum jedes elektronischen Bauteils verläuft ein dünner Faden mit einer Goldbeschichtung. Daran werden winzige, vollständig flexible Transistoren angebracht.

Diese Transistoren sind die grundlegenden Bausteine jedes digitalen Geräts. Ein leitfähiges, kunststoffähnliches Material verbindet sie links und rechts mit dem Goldfaden.

Der Elektronenfluss durch den Transistor wird dabei ähnlich wie bei einem Wasserhahn ein- und ausgeschaltet. Ein zweiter Strom dient als Gate und wirkt im Prinzip wie ein Ventil.

Die entscheidende Neuerung, die diese Bauweise ermöglicht, ist ein Material namens Eutektogel.

Dieses Gel bildet einen Spalt von weniger als einem Millimeter Breite zwischen zwei Enden des elektronischen Fadens. In diesem Spalt lässt sich der Elektronenfluss in einem fadenbasierten Widerstand, Kondensator, Sensor oder einem anderen Bauteil präzise steuern.

Frühere Ansätze anderer Forschungsteams setzten für ähnliche Verbindungen auf Hydrogele – diese trocknen jedoch mit der Zeit aus.

Das Eutektogel umgeht dieses Problem vollständig: Es bleibt stabil, weich und für einen längeren Kontakt auf oder im Körper sicher.

Schaltungen, die sich selbst reparieren können

Das Eutektogel bringt zudem einen unerwarteten Vorteil mit sich: Es verleiht dem Transistor eine echte Fähigkeit zur Selbstreparatur.

Wenn das Gel reißt, zeigte sich laut den Forschenden, dass es genügt, die getrennten Stücke wieder zusammenzuführen und vorsichtig zu erwärmen – dann werden sowohl die mechanische Struktur als auch die elektrische Funktion wiederhergestellt.

Der elektronische Faden selbst lässt sich nicht reparieren, wenn er tatsächlich durchtrennt wurde. Die Gel-Komponenten im Kern jedes Transistors können jedoch erneut verbunden werden.

Damit könnte sich die praktische Lebensdauer solcher Systeme auf eine Weise verlängern, die starre Elektronik kaum erreichen kann.

Geringere Kosten für flexible Elektronik

Im Gegensatz zu traditionellen integrierten Schaltungen benötigen diese fadenbasierten elektronischen Schaltungen bei der Herstellung überhaupt keinen Reinraum.

Konventionelle Schaltungen erfordern typischerweise Fotolithografie, bei der Materialschichten mit Mustern präzise auf eine Oberfläche aufgebracht werden, oder andere Hochtemperatur-Verfahren.

Dadurch ist der neue Ansatz deutlich kompatibler mit weichen Polymeren und textilähnlichen Materialien.

Vor allem aber eröffnet er realistische Perspektiven für eine wirklich kostengünstige Fertigung – ein Punkt, der enorm wichtig sein dürfte, wenn diese Technologie eines Tages über das Labor hinaus in Alltagskleidung skalieren soll.

Bildnachweis: Wenxin Zeng