Kleidung mit elektronischer Nase

Das Start-up Peratech will druckbare Geruchssensoren in Textilien einnähen.

Die britische Firma Peratech hat ein neuartiges Sensormaterial entwickelt, das sich als "elektronische Nase" in Kleidung integrieren lässt. Mit der Technik werden flüchtige organische Verbindungen, sogenannte VOCs (volatile organic compounds), detektiert.

VOCs können aus den unterschiedlichsten Quellen stammen und auf schädliche Chemikalien in der Umwelt hindeuten – oder ein Hinweis darauf sein, dass mit dem Körper etwas nicht stimmt. Viele VOCs sind nahezu geruchlos und nur in geringsten Spuren vorhanden.

Die Idee der VOC-Detektierung ist nicht neu – schon seit langem versuchen Forscher, tragbare und besonders empfindliche elektronische Nasen für diese Stoffe zu schaffen. Peratech will es nun aber geschafft haben, den Erkennungsprozess erstens zu beschleunigen und zweitens ein deutlich stärkeres Antwortsignal zu erzeugen, das sich besser auslesen lässt. Die Sensoren sollen zudem nur wenige Mikrometer dünn sein und sich deshalb für zahlreiche Anwendungen eignen.

"Dieses neue Sensormedium erlaubt es uns, die VOC-Detektierung in ganz neuen Bereichen einzusetzen, an die früher nicht gedacht werden konnte", meint David Lussey, Technikchef bei Peratech. Eine der Ideen ist, die Sensoren in Schutzkleidung für Ersthelfer einzunähen, die chemisch verunreinigte Orte betreten müssen. Oder die Technik wird einfach in reguläre Alltagskleidung integriert, um den Gesundheitszustand ihres Trägers ständig zu überwachen.

Die Peratech-Sensoren bestehen aus sogenannten Quantum Tunnelling Composites (QTCs), die unter anderem in druckempfindlichen Touchscreens verbaut werden und 1997 erfunden wurden. Die von Peratech weiterentwickelte Technik nutzt den physikalischen Tunneleffekt, bei dem sich Elektronen zwischen einzelnen Leitern bewegen, die ansonsten über eine nichtleitende Matrix verteilt sind. Eine Deformation des Materials durch Biegen oder Verdrehen bringt die Leiter nahe genug zusammen, um den Elektronen ein Überspringen zu ermöglichen.

Im Fall der elektronischen Nase besteht das QTC-Material aus einem Polymer, das VOCs absorbieren kann. Es ist mit leitfähigen metallischen Partikeln gesprenkelt. Sobald das Polymer eine flüchtige organische Verbindung absorbiert, schwillt es an und drückt die leitfähigen Partikel aneinander. Dann tritt der Tunneleffekt ein und sorgt für einen messbaren Elektronenfluss.

Die Herstellung von VOC-Sensoren mit absorbierenden Polymeren und leitfähigen Materialien sei kein grundsätzlich neuer Ansatz, meint Tim Swager, Professor für Chemie am MIT, der als Experte für chemische Sensoren gilt. Allerdings sei diese Methode bislang für die meisten Anwendungsfälle nicht empfindlich genug gewesen. "Eine der wenigen Real-World-Verwendungsmöglichkeiten ist die Produktvalidierung." Dabei prüfen Sensoren in der Nahrungsmittelproduktion, ob sich die Qualität von Charge zu Charge verändert hat. Hier kamen VOCs im Zweifelsfall aber in ausreichender Menge vor. "Zur Detektierung kleiner Spuren hat das dagegen nie funktioniert", sagt Swager.

Ein weiteres Problem ist, dass die verwendeten Polymere nicht immer spezifisch auf bestimmte VOCs abgestimmt sind – das ist ein Problem, wenn Sensoren in einer unkontrollierbaren Umwelt mit zahlreichen möglichen Stoffkombinationen zum Einsatz kommen sollen. Ob es Peratech gelingt, dieses Problem zu lösen, ist bislang noch unklar – derzeit sucht die Firma nach Partnern, um passende Materialien zu finden, die sich für möglichst viele Stoffe eignen.

Ein besonderes Merkmal der Peratech-Sensoren ist die Tatsache, dass sie sich für den Dünnfilmdruck eignen. Aktuell verfügbare elektronische Nasen erinnern eher an ein Walkie-Talkie. Die Peratech-Sensoren benötigen außerdem nur wenig Strom und könnten mit einer kleinen Batterie versorgt werden, die sich ebenfalls in Kleidung einnähen ließe. Als Alternative könnte ein Mobiltelefon zur Stromversorgung dienen – die Anbindung würde dann über waschbare Flachbandkabel erfolgen.

Peratech-Technikchef Lussey glaubt, dass es noch diverse andere Verwendungszwecke für die QTC-Technik gibt – von der tragbaren Tastatur aus Stoff über Prothesen mit druckempfindlicher Haut bis hin zu RFID-Chips mit Fingerabdruckkontrolle. "Es gibt so viele Möglichkeiten, was man damit anstellen kann. Wir haben uns aber vorgenommen, Schritt für Schritt vorzugehen." (bsc)