So klein wie ein Staubkorn

Stellen Sie sich einen Sensor vor, der nicht breiter ist als ein menschliches Haar – und dennoch Licht, Druck, Temperatur und die Präsenz bestimmter chemischer Stoffe messen kann. Ein solches Minigerät von der Größe eines Staubkorns wird derzeit von dem US-Unternehmen Transonic Systems entwickelt. Es basiert auf der gleichen Flash-Speicher-Technologie (das pdf skizziert das Projekt in einer frühen Phase), die man beispielsweise auch aus MP3-Spielern kennt. Die möglichen Anwendungsfelder sind breit: Von höchstsensiblen Drogentests über die Nutzung als Umweltsensor bis hin zur Verwendung als ständiger Gesundheitsmonitor für Organe und Blutkreislauf gefährdeter Patienten.

Erfinder des neuen Minisensors ist Edwin Kan, Professor für Elektro- und Computeringenieurwesen an der Cornell University. Transonic Systems hat die Kommerzialisierung seiner Technik übernommen. Erste Produkte sind allerdings erst in den nächsten fünf Jahren zu erwarten. Vermutlich wird man sich anfangs um das Messen des Blutflusses, des Blutdruckes und der Temperatur von Labortieren kümmern. Ein solcher Sensor könnte bei Medikamenten-Tierversuchen hilfreich sein, wie Bruce McKee, Projektingenieur bei Transonic, erklärt. Der Sensor würde dabei direkt in den Blutkreislauf der Tiere implantiert.

McKee sieht auch die Chance, die Technik baldmöglichst als Gesundheitsmonitor beim Menschen einzusetzen – vor allem deshalb, weil der Sensor so klein ist und enorm wenig Energie verbraucht. Vor der Implantierung würde der Sensor mit einem Minifunksender und einer Stromquelle verbunden. Solche Implantate könnten die Gesundheit von Organen oder den Grad bestimmter Stoffe im Blut messen. Wie Science Fiction klingt eine weitere Idee von Transonic: Die Technik könnte auch im Auge als Drucksensor implantiert werden, um Menschen mit Grünem Star so helfen, einer Erkrankung, die bei zu hohem Augendruck zur Erblindung führt.

Der Minisensor basiert technisch auf Transistoren, die man auch in Flash-Speicherchips findet, die in digitalen Kameras, Handys und anderer tragbarer Elektronik verwendet werden. Die Flash-Technik speichert Informationen, indem die elektrische Ladung in so genannten Floating Gates verändert wird. Kan hat diese Gatter mit so genannten "Sensing Gates" verknüpft, die je nach verwendetem Material ihre Ladung verändern, wenn sie Druck, Hitze, Licht oder bestimmten Molekülen ausgesetzt werden. Die Veränderung der Ladung führt wiederum zu einer Veränderung der Ladung im Floating Gate, die dann wieder genauso ausgelesen werden kann, wie man dies von gewöhnlichen Flash-Speichern her kennt.

Kans erste Prototypen sind längsseitig 100 Mikrometer groß, doch der Professor meint, er könne sie noch wesentlich kleiner machen. Aktuell leiten sie ihre Informationen noch über Drähte weiter, so funktioniert auch die Stromversorgung. Ersetzt man diese Drähte durch eine Batterie und ergänzt einen Funksender, ließe sich der Sensor permanent implantieren. Batterie und Sender würde die Gesamtgröße laut Kan um einige Quadratmillimeter erhöhen.

Kans Arbeit an der Cornell University ist nicht das einzige Projekt im Bereich implantierbarer Sensoren. Ein anderes, bereits in Produktion befindliches Beispiel ist eine Pille, die, einmal geschluckt, Aufnahmen des Darmes schießen kann. Diese werden dann drahtlos an einen Computer verschickt. Kans Komponenten sind allerdings wesentlich kleiner und benötigen weniger Strom.

Ein solches Flash-basiertes System könnte Experten zufolge für unterschiedlichste Sensorenbereiche verwendet werden. "Die Technik sollte sich außerdem leicht herstellen lassen, weil sie der bisherigen Flash-Technologie folgt", meint etwa Bradley Minch, Professor am Olin College, der mit Kan an einer früheren Version seines Minisensors gearbeitet hat.

MIT-Professor Joseph Paradiso, der am dortigen Media Lab drahtlose Sensornetze baut, hält Kans Ansatz für hochspannend. Aufgrund der hohen Dichte von Flash-Speicherzellen könne man sich ganze Arrays an Sensoren vorstellen. Damit seien dann die unterschiedlichsten Stoffe erkennbar – und das alles auf einem einzigen Chip. Die Technik eigne sich außerdem oder auch für die "Haut" menschenähnlicher Roboter, die dann Druck und Temperatur erkennen könnten. "Ich sehe für diese Technik zahlreiche Anwendungen", meint Paradiso.

Übersetzung: Ben Schwan (wst)