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Jan 19, 2024

Was ist ein elektronisches Tattoo?

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der medizinische Geräte in klinischer Qualität – Gehirnaktivität

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der medizinische Geräte in klinischer Qualität – Gehirnaktivitätsscanner, Herzfrequenzmesser und Blutdrucksensoren – auf einem winzigen Aufkleber angebracht werden könnten, der für den Träger nicht wahrnehmbar ist. Das ist das Versprechen der elektronischen Tattoo-Technologie.

Ein elektronisches Tattoo ist ein weiches tragbares Gerät mit integrierten Sensoren, das auf der Haut des Trägers befestigt wird und Daten drahtlos überträgt. Elektronische Tattoos können überall am Körper des Benutzers angebracht werden und können verwendet werden, um alles zu verfolgen, von den elektrischen Impulsen des Körpers bis hin zur chemischen Zusammensetzung des Schweißes des Trägers.

Elektronische Tattoos sind weiche, mit Sensoren ausgestattete tragbare Geräte, die auf der Haut einer Person befestigt werden und typischerweise zur Datenerfassung verwendet werden. Diese Geräte bestehen häufig aus leitfähigen Materialien wie Graphen, Kohlenstoff oder leitfähigen Polymeren, wodurch sie Biopotentiale oder elektrische Signale messen können, die vom Körper des Trägers ausgehen. (Zum Beispiel: Muskelimpulse, Herzfrequenz und Gehirnaktivität.) Sie können auch mit anderen Sensoren ausgestattet sein, darunter Beschleunigungsmesser, die Bewegungen verfolgen, Temperatursensoren oder sogar Sensoren, die die chemische Zusammensetzung des Schweißes des Trägers messen.

Der Hauptunterschied zwischen elektronischen Tattoos und herkömmlichen Wearables – wie Smartwatches und Brustgurt-Herzfrequenzmessgeräten, die während des Trainings getragen werden – ist der weiche Formfaktor, der es ermöglicht, sie an Körperstellen anzubringen, an denen man ein starres Gerät nicht einfach über längere Zeit anbringen könnte Perioden (im Grunde überall außer am Handgelenk). Die Verwendung flexibler und dünner Materialien ermöglicht außerdem einen viel engeren Kontakt mit der Haut des Trägers, als dies mit einem starren Sensor möglich wäre, was für die zuverlässige Messung der elektrischen Impulse des Körpers unerlässlich ist. Das Ergebnis ist ein Gerät, das bequemer zu tragen ist als ein herkömmliches Wearable und das in vielen Fällen Daten erfassen kann, die bis vor Kurzem nur in einem Labor oder Krankenhaus erfasst werden konnten.

Da elektronische Tätowierungen für das kontinuierliche Tragen konzipiert sind, ermöglichen sie Forschern und Medizinern die Erfassung von Daten, deren Nachverfolgung früher unmöglich oder unerschwinglich gewesen wäre. Elektronische Tätowierungen, die beispielsweise Gehirnaktivität und Augenbewegungen erfassen, könnten in einer Simulation von abgelenktem Fahren an Forschungspersonen angebracht werden, die einem realen Szenario sehr ähnlich ist. Und im Gesundheitswesen könnte ein elektronisches Tattoo zur kontinuierlichen Überwachung eines Patienten zu Hause verwendet werden, der andernfalls zur Beobachtung im Krankenhaus hätte bleiben müssen.

„In diesem Bereich gibt es viel Aufschwung, und eine erfolgreiche Übertragung dieser Technologie auf die breitere Bevölkerung wird die Art und Weise, wie wir über die Überwachung des Gesundheitszustands und die Bereitstellung von Gesundheitsversorgung denken, wirklich verändern“, sagte John Rogers, Direktor des Querrey Simpson Institute for Bioelectronics an der Northwestern University und Co-Autor einer großen Forschungsarbeit, die 2011 in Science veröffentlicht wurde und das aufstrebende Gebiet der elektronischen Tätowierungen skizziert. „Es hat das Potenzial, Kosten zu senken und die Ergebnisse für Patienten zu verbessern.“

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Elektronische Tattoos befestigen Sensoren mit einem Kleber auf der Haut – im Wesentlichen wie ein ultradünner Aufkleber. Diese Sensoren übertragen Daten drahtlos an ein Gerät mit Empfänger, beispielsweise das Smartphone des Trägers oder ein dediziertes Gerät. Einige elektronische Tattoos enthalten auch dünne Schichten leitfähiger Materialien, die die subtilen elektrischen Impulse oder Biopotentiale auffangen, die unser Körper aussendet, wenn wir uns bewegen, denken und über unsere Sinne mit der Welt interagieren.

„Der Körper ist in Wirklichkeit eine elektrische Maschine“, sagte Deji Akinwande, Nanotechnologieforscher und Professor an der University of Texas in Austin. „Jeder Körperteil verfügt über charakteristische elektrische Signale, die mit bestimmten Funktionen korrelieren.“

Da Elektrizität den Weg des geringsten Widerstands sucht und der menschliche Körper nicht vollständig gegen Elektrizität isoliert ist, springt ein Teil dieser Signale vom Körper zur leitenden Schicht des elektronischen Tattoos. Die Signale können dann von einem Sensor gemessen werden, der am leitfähigen Material angebracht wird.

„Der Körper ist eigentlich eine elektrische Maschine … Jeder Teil des Körpers hat charakteristische elektrische Signale, die mit bestimmten Funktionen korrelieren.“

Bei Geräten, die Biopotentiale messen – und insbesondere schwache, wie die vom Gehirn ausgehenden Signale – ist es wichtig, dass sich das leitfähige Material so eng wie möglich an die Haut anpasst und so die Kontaktfläche maximiert. Dies stellt eine größere Herausforderung dar, als man sich vorstellen kann, denn selbst in Bereichen, in denen die Haut relativ flach erscheint, wie zum Beispiel am Arm oder an der Stirn, gibt es viele kleine Unregelmäßigkeiten, die zu schlechtem Kontakt oder verrauschten Daten führen können, weil die Materialien aneinander reiben wenn sich der Träger bewegt.

In der Vergangenheit wurde diese Herausforderung im klinischen Umfeld durch die Verwendung eines leitfähigen Gels überwunden, das diese Lücken füllt. Doch dank der Fortschritte in der Nanotechnologie sind Forscher nun in der Lage, Membranen zu schaffen, die dünn genug sind – in manchen Fällen so dick wie nur ein einziges Kohlenstoffatom –, um den Einsatz von Gelen überflüssig zu machen.

„Abhängig vom Material und je nach Hautzustand können wir eine Kontaktimpedanz erreichen, die genauso niedrig oder manchmal sogar niedriger ist als bei Gelelektroden“, sagte Nanshu Lu, Hauptforscher an der Lu Research Group der UT Austin und Mitautor von das Wissenschaftspapier 2011.

Viele elektronische Tätowierungen verwenden jedoch billigere und dickere leitfähige Materialien – insbesondere wenn sie stärkere Signale erfassen, wie sie beispielsweise vom Herzen ausgehen. Und einige messen überhaupt keine elektrischen Signale, sondern verlassen sich stattdessen auf Beschleunigungsmesser oder Temperatursensoren oder auf die chemische Zusammensetzung des Schweißes des Trägers.

Die leitfähigen Schichten elektronischer Tattoos können aus rein leitfähigen Materialien wie Gold oder Kohlenstoff hergestellt werden. Um die für diese Anwendungen erforderliche Flexibilität zu erreichen, wird Gold in dünne, S-förmige Bänder gedehnt und Kohlenstoff in einem zweidimensionalen hexagonalen Gitter angeordnet (derart angeordneter Kohlenstoff wird üblicherweise als Graphen bezeichnet).

Elektrodenschichten können auch aus leitfähigen Polymeren wie PEDOT hergestellt werden, die nicht so dünn wie Graphen sind, aber den Vorteil haben, sowohl ionisch als auch elektronisch leitfähig zu sein. Durch die Ionenleitfähigkeit werden Geräte empfindlicher, da die körpereigenen Signale ionisch sind, was die zusätzliche Dicke und die verringerte Kontaktfläche ausgleicht, sagte Lu. Doch diese Materialien sind alle teuer, weshalb sich einige Forscher stattdessen für Verbundwerkstoffe entscheiden.

„Sie können eine elektrisch nicht leitende Polymermatrix verwenden – wie eine Gummimatrix oder PDMS oder Ecoflex oder Polyurethan – und dann leitende Füllstoffe hinzufügen, zum Beispiel Kohlenstoffnanoröhren, Silbernanodrähte, Rußpartikel oder Graphenflocken“, sagte Lu. „Der Vorteil ist, dass es sehr günstig ist. Man braucht keine großflächige Schicht aus makellosem Graphen oder Silber. Man braucht nur ein paar Nanopartikel und dann mischt man es.“

Heutzutage verwendete elektronische Tätowierungen sind vorübergehend und in vielen Fällen nur für die Dauer einiger Tage ausgelegt. Dies liegt vor allem daran, dass die Elektrodenschicht eines elektronischen Tattoos – der Teil, der die klebenden und leitenden Materialien enthält – mit der Zeit abbaut und sich von der Haut löst. Aus diesem Grund wird die Reduzierung der Materialkosten für eine breite Akzeptanz wichtig sein.

Billigere Materialien sind jedoch nicht die einzige Möglichkeit, die Kosten zu senken. Lu sagte, dass Forscher in ihrem Labor auch hart daran arbeiten, die Elektronik, die Signale liest und überträgt, von der Einwegschicht zu trennen, damit diese Komponenten wiederverwendet oder recycelt werden können, anstatt sie mit dem Rest des Tattoos wegzuwerfen. Dies könnte in Zukunft zu Geräten mit langlebigen, wiederaufladbaren elektronischen Komponenten und Einweg-Elektrodenschichten führen, die auf der Haut befestigt werden.

Und da es sich bei elektronischen Tätowierungen noch um eine relativ neue Art von Technologie handelt, konzentrieren sich Forscher immer noch mehr auf die Funktionalität als auf Haltbarkeit und Langlebigkeit. Akinwande erwartet eine Welle von Innovationen, die darauf abzielen, die Lebensdauer elektronischer Tätowierungen zu verlängern, sobald diese Geräte eine breitere Verbreitung finden.

„Dafür sind lediglich viele Partnerschaften zwischen Wissenschaftlern und Endverbrauchern wie Krankenhäusern und Unternehmen erforderlich“, sagte er.

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Elektronische Tätowierungen haben ein breites Spektrum potenzieller Anwendungen, darunter Verhaltensforschung und Eingabesteuerungen für Roboter und Videospiele. Aber wie bei anderen tragbaren Technologien liegt der Fokus auch bei der Innovation elektronischer Tätowierungen heute in erster Linie auf Gesundheit und Wohlbefinden.

Elektronische Tätowierungen können zur Überwachung der Vitalfunktionen von Frühgeborenen eingesetzt werden. Aufgrund ihres erhöhten Krankheits-, Behinderungs- und Sterberisikos werden die Vitalfunktionen von Babys, die vor der 37. Schwangerschaftswoche geboren wurden, normalerweise kontinuierlich auf einer Neugeborenen-Intensivstation (NICU) überwacht. Bei dieser Überwachung werden normalerweise kabelgebundene Sensoren auf die Haut des Patienten geklebt, was zu Schmerzen und Verletzungen führen kann, da die Haut unterentwickelt und brüchig ist.

Um dieses Problem anzugehen, haben Rogers und ein Forscherteam der Northwestern University elektronische Tätowierungen entwickelt, die alle von herkömmlichen NICU-Sensoren erfassten Signale überwachen – Herzfrequenz, Atemfrequenz, Körpertemperatur und Blutsauerstoff – sowie zusätzliche Datenpunkte wie Blutfluss, Blut Druck und separate Messungen für Körperkerntemperatur und Oberflächentemperatur. Und weil sie leicht und kabellos sind, benötigen diese Tätowierungen nur ein Zehntel so starke Klebstoffe wie herkömmliche Sensoren, wodurch sie schonender für die Haut des Patienten sind. Darüber hinaus können drahtlose Überwachungsgeräte den Stress für Eltern verringern, da sie eine kontinuierliche Überwachung nach der Entlassung aus dem Krankenhaus ermöglichen.

Sobald solche Geräte eine breitere Akzeptanz erreichen, könnte das Hinzufügen neuer Sensoren und die Analyse der Ergebnisse mit maschinellem Lernen es Ärzten laut Rogers auch ermöglichen, Anzeichen von Problemen früher zu erkennen.

„Wir haben einen Beschleunigungsmesser mit hoher Bandbreite, der Vibrationen auf der Haut erfasst, die mit Magen-Darm-Geräuschen, Atemgeräuschen und Weinen verbunden sind“, sagte er. „Ich denke, das ist ein wirklich wirkungsvoller Weg, über den man nachdenken sollte – es geht nicht nur darum, sich auf traditionelle Vitalfunktionen zu beschränken, sondern eine ganze Reihe von Merkmalen zu erfassen, die über neuronale Netze verarbeitet werden können.“

Derzeit wissen wir nicht genau, wie Weinen, Magen-Darm-Aktivität und Muskelzuckungen mit Gesundheitsproblemen zusammenhängen, die ein Eingreifen erfordern. Mit der Zeit können Algorithmen jedoch darauf trainiert werden, Muster zu erkennen, die für einen menschlichen Beobachter zu subtil wären, was wiederum zu früheren Eingriffen und besseren Gesundheitsergebnissen führen könnte.

Elektronische Tätowierungen können zur Verbesserung der Gesundheitsversorgung von Patienten mit neurologischen Erkrankungen wie Parkinson, Zerebralparese und Alzheimer eingesetzt werden. Durch die Messung elektrischer Impulse oder körperlicher Bewegungen mithilfe von Beschleunigungsmessern können diese Geräte Pflegekräften dabei helfen, die Häufigkeit und Schwere unwillkürlicher Bewegungen zu verstehen – Daten, die zur Anpassung von Medikamenten oder zur Änderung des Zeitplans eines Patienten verwendet werden können, um die täglichen Aufgaben besser beherrschbar zu machen. Zukünftige Geräte könnten auch dazu verwendet werden, Parkinson-Medikamente im Schweiß des Patienten zu messen, was einen weiteren Datenpunkt hinzufügen könnte, der dabei helfen könnte, die Patientenversorgung zu kalibrieren, sagte Rogers.

„Dies wird wirklich auf einzigartige Weise durch die Möglichkeit ermöglicht, diese Geräte an jeder Stelle der Anatomie des Patienten zu platzieren … Es ist schwer vorstellbar, eine Apple Watch um den Hals zu schnallen.“

Rogers‘ Team hat auch an Geräten gearbeitet, die am Halsansatz des Trägers befestigt werden, um Probleme beim Schlucken zu erkennen – eine häufige Komplikation bei Patienten mit einer Reihe von neurologischen Störungen, einschließlich Alzheimer – und haptisches oder visuelles Feedback zu geben, das Patienten daran erinnert, häufiger zu schlucken und hilft ihnen, zum richtigen Zeitpunkt im Atemzyklus zu schlucken.

„Dies wird wirklich auf einzigartige Weise durch die Möglichkeit ermöglicht, diese Geräte an jeder beliebigen Stelle der Anatomie des Patienten zu platzieren“, sagte Rogers. „Es ist schwer vorstellbar, sich eine Apple Watch um den Hals zu schnallen.“

Anfang dieses Jahres haben Akinwande und ein Forscherteam der UT Austin und der Texas A&M University ein elektronisches Tattoo entwickelt, das den Blutdruck des Trägers kontinuierlich und mit hoher Genauigkeit messen kann. Akinwande sagte, sein Team habe beschlossen, sich auf den Blutdruck zu konzentrieren, weil er das einzige der vier allgemein anerkannten Vitalzeichen – Körpertemperatur, Pulsfrequenz, Atemfrequenz und Blutdruck – sei, das in einer realen Umgebung nicht einfach den ganzen Tag über überwacht werden könne .

Das von Akinwandes Team entworfene elektronische Tattoo stimuliert die Haut mit einem milden elektrischen Strom und misst die elektrische Impedanz oder den Widerstand, während der Strom durch den Körper fließt. Diese Messungen werden in einen Algorithmus für maschinelles Lernen eingespeist, der aus diesen Daten den Blutdruck des Trägers ableitet.

Der Blutdruck wird traditionell mit einer aufblasbaren Manschette gemessen, die vom Patienten ein stilles Sitzen erfordert und zu sperrig ist, um sie für wiederholte Messungen über den Tag verteilt mit sich herumzutragen. Ein für die kontinuierliche Messung konzipiertes Gerät hingegen würde es ermöglichen, Blutdruckmessungen mit anderen Daten abzugleichen, um Erkenntnisse über die Auswirkungen von Ernährung, Bewegung, Schlaf und Stress auf den Blutdruck in einer realen Umgebung zu gewinnen. Dies könnte Ärzten helfen, bestimmte Änderungen des Lebensstils zu empfehlen und deren Auswirkungen zu verfolgen oder sogar die Wirksamkeit von Medikamenten zu messen, die der Patient zur Behandlung von Bluthochdruck einnimmt.

Durch elektronische Tätowierungen von den Muskeln des Trägers gesammelte Signale können zur Steuerung von Robotern mit Gesten genutzt werden. Das könnte wie ein Roboterarm aussehen, der die Bewegungen des echten Arms des Trägers nachahmt, oder wie eine Drohne, die durch subtile Handbewegungen gesteuert werden kann. Die Technologie könnte auch zur Steuerung von Prothesen eingesetzt werden.

Obwohl die elektronische Tätowiertechnologie theoretisch Smartwatches und andere Wearables ersetzen könnte, ist es unwahrscheinlich, dass dies in absehbarer Zeit der Fall sein wird. Herzfrequenz und Atmung, die für das Fitness-Tracking wichtigsten Vitalfunktionen, sind stark genug, um mit einer Armbanduhr oder einem Brustgurt erfasst zu werden, und ein größerer Formfaktor erleichtert das Hinzufügen von Funktionen wie Beschleunigungsmessern und Standortverfolgung, ganz zu schweigen von den Batterien erforderlich, um sie alle mit Strom zu versorgen.

Elektronische Tätowierungen können jedoch verwendet werden, um Dinge zu messen, die mit herkömmlichen Wearables nicht möglich sind, wie zum Beispiel die Gehirnaktivität während der Meditation. Und Epicore Biosystems, ein Technologie-Startup, dessen Mitbegründer Rogers ist, hat sich mit der Sporternährungsmarke Gatorade zusammengetan, um eine intelligente Flasche und ein dazugehöriges Hautpflaster zu entwickeln, das die Wasseraufnahme und den Elektrolytverlust durch die Haut des Trägers misst.

Da sie kontinuierliche Messungen ermöglichen, während sich der Träger bewegt, können elektronische Tätowierungen verwendet werden, um menschliches Verhalten und Aufmerksamkeit auf eine Weise zu erforschen, die bisher nicht möglich war. Mithilfe elektronischer Tätowierungen könnten die Gehirnaktivität und die Augenbewegungen von Lkw-Fahrern, Piloten von Fluggesellschaften oder Schwermaschinenführern gemessen werden, um festzustellen, wie lange sie sicher zwischen den Pausen verweilen können, bevor ihre Aufmerksamkeit abschweift.

Durch das Anbringen einer Reihe elektronischer Tätowierungen und anderer Sensoren am Körper einer Person können Forscher laut Akinwande auch der Verwirklichung der Vision eines digitalen Zwillings näher kommen: einer virtuellen Darstellung einer Person, mit der persönliche Änderungen des Lebensstils identifiziert werden können, die die Langlebigkeit verbessern können , oder sogar zwischen Behandlungsmöglichkeiten für eine Krankheit wählen, basierend auf den Ergebnissen von Patienten mit ähnlichen Merkmalen.

Lu ihrerseits sagte, die Technologie könne genutzt werden, um bessere Schnittstellen zwischen Menschen und Roboterassistenten zu entwickeln. Durch die Überwachung von Menschen bei der Interaktion mit Robotern zu Hause und am Arbeitsplatz können Ingenieure Momente von Stress und Kommunikationsstörungen leichter erkennen und das Verhalten und Design des Roboters anpassen, um diese zu vermeiden.

Elektronische Tätowierungen könnten verwendet werden, um einen Avatar mit physischen Gesten in einer virtuellen Realität oder einem Metaversum zu steuern oder sogar gezieltes haptisches Feedback zu liefern, was ein immersiveres VR-Erlebnis ermöglicht. Die Technologie könnte aber auch zur Verbesserung der Telemedizin eingesetzt werden, indem Ärzten während einer virtuellen Untersuchung Echtzeit-Vitaldaten zur Verfügung gestellt werden.

„Man könnte die Telemedizin auf die nächste Stufe heben“, sagte Akinwande. „Man könnte fast einen persönlichen Besuch nachahmen. Das ist die Idee hinter Meta-Health.“

Da elektronische Tätowierungen so vielseitig sind, ist es wahrscheinlich, dass ihre Verwendung in den kommenden Jahren weiter zunehmen wird – insbesondere im Gesundheitswesen, wo eine effektive Patientenüberwachung über Leben und Tod entscheiden kann. Die weit verbreitete Einführung elektronischer Tätowierungen bei Verbrauchern erfordert jedoch wahrscheinlich, dass die Geräte langlebiger oder so billig und leicht recycelbar werden, dass Verbraucher nicht zweimal darüber nachdenken, sie zu verwenden und zu entsorgen. (Laut einer Pressemitteilung der Northwestern University kostet der NICU-Sensor von Rogers etwa 10 US-Dollar – günstig für ein medizinisches Gerät, aber teuer für einen Einweg-Trainingstracker oder VR-Zubehör.)

Über die Überwachung hinaus könnten elektronische Tätowierungen verwendet werden, um Medikamente durch die Haut zu verabreichen oder Körperteile zu stimulieren, um die Rehabilitation zu unterstützen. Mit der Weiterentwicklung der elektronischen Tätowiertechnologie könnte man sich ein eigenständiges Gerät vorstellen, das Vitalfunktionen im Zusammenhang mit einem chronischen Gesundheitszustand misst und bei Bedarf automatisch Medikamente freisetzt.

„Sie reiten auf der Welle der Entwicklungsaktivitäten in der Unterhaltungselektronik- und Gadgets-Branche. Alle Trends gehen in die richtige Richtung: kleinere Batterien, energieeffizientere Elektronik, kleinerer Platzbedarf. Das wird sich ganz natürlich von selbst ergeben.“

Nach Ansicht von Rogers liegt die Herausforderung bei der Verbreitung elektronischer Tätowierungen größtenteils in der Logistik und im operativen Bereich, da vielen Krankenhäusern die drahtlose Ausrüstung und die Datenspeicherungsfähigkeiten fehlen, die für den effektiven Einsatz solcher Geräte erforderlich sind. Um diese Hürde zu überwinden, hat sich sein Team auf den Aufbau von Beziehungen zu bestehenden Anbietern von Krankenhausüberwachungsgeräten konzentriert, die mit ihnen bei der Schaffung der erforderlichen Infrastruktur zusammenarbeiten können.

Und auf der technischen Seite wird es mit der Zeit immer einfacher, elektronische Tätowierungen herzustellen.

„Wir müssen keine Gesetze der Physik brechen“, sagte Rogers. „Sie reiten auf der Welle der Entwicklungsaktivitäten in der Unterhaltungselektronik- und Gadgets-Branche. Alle Trends gehen in die richtige Richtung: kleinere Batterien, energieeffizientere Elektronik, kleinerer Platzbedarf. Das wird sich ganz natürlich von selbst ergeben.“