Einem Forscherteam aus Asien ist ein Fortschritt bei hochleistungsfähigen Sensoren für Wearables gelungen. Für die Herstellung der Sensoren, die für tragbare Geräte eingesetzt werden sollen und über eine eigene Stromversorgung verfügen, setzten die Forscher 3D-Druck ein. Mit dem 3D-Druckverfahren wurden U-förmiger Arrays möglich, die eine besonders hohe Flexibilität bieten. Mögliche Einsatzbereiche der tragbaren Elektronik sind zum Beispiel die medizinische oder sportbezogene Überwachung.

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Forschern der koreanischen Jeonbuk National University und des chinesischen Materialanbieters Wuhan Chamtop haben mit 3D-Druck tragbare Sensoren mit eigener Stromversorgung entwickelt. Durch mit Barium beladenes PVDF-Polymer kann piezoelektrische Energie, die durch menschliche Bewegung erzeugt wird, für die komplett mit dem 3D-Drucker hergestellten Geräte genutzt werden.

Die Ergebnisse ihrer Arbeit veröffentlichten sie in einem Artikel im Fachmagazin „Nanoscale Journal“ mit dem Titel „Mortise–tenon joint structured hydrophobic surface-functionalized barium titanate/polyvinylidene fluoride nanocomposites for printed self-powered wearable sensors„.

Tragbare Elektronik mit eigener Stromversorgung

3D-Druck-Sensoren auf BTO-PVDF-Basis
Mit einem Roboterarm-3D-Drucker von Musashi Engineering konnten die Forscher die optimale PVDF-BTO-Formulierung in einem Film verteilen (skizzierte Darstellung des Vorgangs) (Bild © Nanoscale journal).

Tragbare Elektronik zur medizinischen oder sportbezogenen Überwachung wird immer beliebter. Autarke Technologien erweisen sich hier als kompakter und umweltfreundlicher und sind zudem billiger in der Herstellung.

Flexible, piezoelektrische Bauelemente sind einfach in der Herstellung und besser in der Nettoleistung im Vergleich zu triboelektrischen Energiequellen. PVDF ist dabei ein beliebtes Basismaterial für den 3D-Druck der Sensoren. Gefüllt mit einem Keimbildungsadditiv kann es optimale piezoelektrische Leistung erzielen.

Frühere Studien mit Materialmischungen mit Polymeren brachten begrenzt wirksame Vorrichtungen hervor. Die Zugabe von Bariumtitanat (BTO) verbesserte die gewünschten Eigenschaften, führte aber zu Partikelaggregation. 3D-Druck-Sensoren mit ähnlichen Inhaltsstoffen und einer neuartigen zapfenförmigen Struktur sollen das Problem beheben.

Tests der neuen Methode

Mit einem Roboterarm-3D-Drucker von Musashi Engineering konnten die Forscher die optimale PVDF-BTO-Formulierung in einem Film verteilen. Auf die Oberfläche der Vorrichtung druckten sie eine Silberpaste und polten diese unter einem elektrischen Feld.

Anschließend folgten Charakterisierungstests der Sensoren in einem U-förmigen Array, bei denen sich keine merkliche BTO-Sedimentation im Harz zeigte. Eine Erhöhung der BTO-Konzentration in den Filmen brachte außerdem einen korrelierenden Einfluss auf die piezoelektrischen Eigenschaften. Prototypen aus 10% Barium-Nanopartikeln brachten einen Strom von 24,3 pC/N. Das Beladen der Proben mit einer Konzentration von 50% erhöhte diesen auf 69,1 pC / N.

Letztere Sensoren wurden an Taekwondo-Schutzausrüstung angebracht und getestet. Sie waren beim Aufprall in der Lage, unterschiedliche Kraftniveaus der erzeugten Spannung zu erfassen.

Tests an Taekwondo-Anzügen
Die Forscher testeten die 3D-gedruckten Sensoren an Taekwondo-Schutzausrüstung (skizzierte Darstellung im Bild) (Bild © Nanoscale journal).

Chancen für die Zukunft

Somit könnten sie sich als Trainingsinstrument für Sportler als nützlich erweisen. Dank der flexiblen Arrays gehen die Forscher davon aus, dass sie die Sensoren auch für andere Wearables einsetzen können, um verschiedene sportliche Aktivitäten ohne externe Stromquellen zu überwachen.

In Singapur wurde Anfang des Jahres 2021 ein Projekt vorgestellt, bei dem Forscher einen Film entwickelt haben, der Schweiß absorbieren kann. Der gesammelte Schweiß kann, umgewandelt in Energie, mobile Geräte mit Strom versorgen.

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