Ein durch das dtec.bw – Zentrum für Digitalisierungs- und Technologieforschung der Bundeswehr finanziertes Forschungsprojekt an der Universität der Bundeswehr München
Sensoren sind die unsichtbaren Architekten der Digitalisierung: Sie erfassen Daten, ermöglichen intelligente Systeme und revolutionieren ganze Branchen. Sie überwachen Infrastruktur, können Gefahrstoffe erkennen oder zum Monitoring von Vitalparametern am Menschen eingesetzt werden. Allerdings werden hier mobile miniaturisierte Lösungen benötigt, welche einen Dauerbetrieb erlauben und immer detailliertere Daten zu liefern vermögen.
Mit dem Projekt VITAL-SENSE setzt das Forschungszentrum SENS der UniBw München genau hier an. Das innovative Pilotprojekt kombiniert modernste Technologieentwicklung, Sensordatenfusion und digitale Vernetzung, um eine neue Generation von miniaturisierten Sensorsystemen zu entwickeln. Diese sollen kontinuierlich Vitalparameter direkt am Körper messen und zuverlässig, energieeffizient und nahtlos in den Alltag integrierbar sein, wie etwa in Kleidung oder auch in persönlicher Schutzausrüstung. Besonders hohe Anforderungen gelten dabei an Präzision, Sicherheit und Robustheit, die herkömmliche Systeme bislang nicht erfüllen. Dies macht die Sensorsysteme gerade auch für Einsatzkräfte (Feuerwehr, Polizei, Streitkräfte) sehr interessant.
Ein entscheidender Innovationssprung liegt in der Materialwahl: Hier kommen hochmoderne sogenannte 2D-Materialien zum Einsatz. Diese ermöglichen nicht nur extrem präzise und hochempfindliche Sensoren, sondern auch eine bisher unerreichte Flexibilität und Leichtigkeit, ideal für tragbare Anwendungen. Die Vision: Eine intelligente, vernetzte Gesundheitsüberwachung, die weit über heutige Standards hinausgeht – mit Technologie, die buchstäblich an der Grenze des physikalisch Machbaren liegt und so beispielsweise geeignet ist, um innerhalb der Bundeswehr neue Fähigkeiten im Arbeitsschutz bei Einsätzen unter Extrembedingungen zu entwickeln.
Was sind 2D-Materialien und warum sind diese so gut für Sensoren geeignet?
Selbstverständlich sind alle Materialien in unserer dreidimensionalen Welt auch dreidimensional. Als zweidimensionale oder 2D-Materialien werden sehr dünne Materialien bezeichnet, deren Dicke im Vergleich zu ihrer lateralen Ausdehnung vernachlässigbar ist. Wir sprechen hier also von Materialien, die wenige Nanometer (also wenige Milliardstel eines Meters) dick sind und sich dafür aber über große Flächen, in der Regel im Bereich von Quadratmillimetern oder sogar Quadratzentimetern, erstrecken. Idealerweise bestehen sie aus nur einer Atom- oder Molekülschicht, die in einer stabilen, regelmäßig angeordneten Gitterstruktur vorliegt.
VITAL-SENSE: Transparente Graphenelektroden, welche zur Erfassung von Körpersignalen direkt auf der Haut aufgetragen werden. ( Foto © UniBw M/Schlosser)
Das wohl prominenteste 2D-Material ist Graphen, eine einzelne Lage von Kohlenstoffatomen, die in einem bienenwabenartigen Sechseckmuster angeordnet sind. 2D-Materialen sind besonders gut als sensorische Schicht geeignet, da ihr Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis annähernd maximal ist. Ihre gesamte Struktur liegt an der Oberfläche, wodurch selbst kleinste Veränderungen, z. B. durch Adsorption von Molekülen, starke elektrische, optische oder mechanische Reaktionen aus- lösen. Zudem besitzen sie hervorragende elektronische Eigenschaften, darunter eine hohe Ladungsträgermobilität und Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen. Dies ermöglicht schnelle Reaktionszeiten und niedrige Detektionsgrenzen. Außerdem sind 2D-Materialien flexibel, transparent und skalierbar und können in verschiedenste Sensorplattformen integriert werden.
Was macht VITAL-SENSE so besonders?
Unter der Leitung von Prof. Dr. Georg Düsberg werden im Rahmen von VITAL-SENSE gemeinsam mit Kollegen an der UniBw M, Industriepartnern und Forschungseinrichtungen der Bundeswehr wegweisende Sensorlösungen entwickelt, welche neue Maßstäbe in der tragbaren Gesundheitsüberwachung setzen sollen. Neuentwickelte graphenbasierte Hautelektroden ermöglichen hochpräzise Messungen von Biosignalen wie z. B. Elektrokardiografie, Elektroenzephalografie, Elektromyografie und bieten eine flexible Alternative zu herkömmlichen Elektroden. Weiter konnten spezifische Detektoren, welche Biomarker wie etwa psychoaktive Substanzen und Gefahrstoffe erkennen können, auf Basis von funktionalisiertem Graphen entwickelt werden. Ergänzend wurden hochpräzise Dehnungssensoren und Drucksensoren auf Basis des ebenfalls neuen Materials Platindiselenid (PtSe2) entwickelt, welche u. a. auch Körperbewegungen erfassen und so Anwendungen z. B. in der Prothetik ermöglichen.
Fortschritte in der Fertigung auf größeren Substraten, den sogenannten Wafern, haben die Integration dieser Sensoren in tragbare Anwendungen erheblich verbessert. Hiermit wurden innovative Drucksensoren aus PtSe2 für industrielle und medizinische Anwendungen entwickelt. In Kombination mit Edge Computing und KI-gestützter Sensordatenverarbeitung entsteht ein leistungsfähiges System, das nicht nur Vitaldaten erfasst, sondern diese intelligent analysiert – eine technologische Revolution für die mobile Diagnostik und Prothetik.
