Unsere tragbare Zukunft, Teil 2: Wie wird die neue Technologie funktionieren?
Von Jerilyn Covert
Dies ist der zweite Teil einer zweiteiligen Serie über die Zukunft der Wearable Tech. Im ersten Teil (lesen Sie hier) ging es darum, wie die Wearables der Zukunft aussehen werden und was sie leisten können.
23. August 2022 - Nehmen Sie Ihr Smartphone in die Hand. Ja, Sie haben es schon tausendmal in der Hand gehabt, es ist wie eine Verlängerung Ihrer Hände. Aber lassen Sie uns ein Experiment machen: Nimm es an beiden Enden und strecke es so weit wie möglich. Drehen Sie ihn nun. Wickle es um deinen Unterarm. Cool, oder? Jetzt lass es zurückschnappen.
Warte, was meinst du damit, dass sich dein Handy nicht biegen und strecken lässt?
Diese kleine Übung in Vorstellungskraft veranschaulicht, was im Bereich der Wearables möglich ist - elektronische Geräte, die wir an oder auf unserer Haut tragen. Heute sind Smartwatches und Telefone noch harte, unflexible Blöcke aus Plastik und Metall. In Zukunft wird sich das ändern.
"Bei Wearables sind Flexibilität, Dehnbarkeit und Waschbarkeit die wichtigsten Anforderungen", sagt Veena Misra, PhD, Professorin für Elektrotechnik an der North Carolina State University und Direktorin des ASSIST Center, eines staatlich finanzierten Forschungsinstituts, das Wearables zur Unterstützung der Gesundheit entwickelt.
"Wir sehen diese Art von Entwicklungen auf breiter Front", sagt Misra, und man kann das an der Zahl der [Forschungs-]Veröffentlichungen über Wearables ablesen. Diese Zahl wächst einfach exponentiell".
Wir neigen dazu, Wearables als unterhaltsame Verbrauchergadgets zu betrachten, aber es gibt immer mehr Stimmen, die behaupten, dass sie die Gesundheitsversorgung drastisch verbessern werden - als Mittel zur kontinuierlichen, langfristigen Überwachung, um unerwünschte Ereignisse vorherzusagen und Krankheiten genau zu verfolgen, wodurch die Behandlungen und die Gesundheitsergebnisse weltweit verbessert werden.
Damit dies möglich ist, müssen Wearables nahtlos mit unserem Körper zusammenarbeiten. Das bedeutet, dass herkömmliche harte, starre Geräte und Systeme der menschlichen Haut ähnlicher werden müssen - weich, biegsam und dehnbar.
Wie kann man das bewerkstelligen? Durch die Neugestaltung der Elektronik auf molekularer Ebene, die Miniaturisierung von Sensoren und die Entwicklung von bisher unbekannten Energiequellen, um das zu unterstützen, was Ingenieure einen hautähnlichen "Formfaktor" nennen.
Um es mit einem Wort zu sagen: Das ist keine Science-Fiction. Die neuen Produkte, die aus diesen Fortschritten hervorgehen werden - und die möglicherweise im Gesundheitswesen beginnen und auf den Wellness-Markt übergreifen - könnten so normal werden wie das klobige, unflexible Telefon, das man nicht aus der Hand legen kann. Und so geht's.
Warum ist der Formfaktor so wichtig?
Ein Wearable, das sich an Ihren Körper anpasst, ist in zweierlei Hinsicht besser: Es ist weniger aufdringlich für den Benutzer und ermöglicht eine zuverlässigere Messung.
"Sensoren und Sensorsysteme leiden häufig unter mechanischer Fehlanpassung", sagt Dr. Alper Bozkurt, Elektroingenieurin und Kollegin von Misra an der NC State und ASSIST. "Wenn Sie weiches Gewebe haben, das sich bewegt, aber ein starres Messgerät, das sich nicht bewegt, ist Ihre Messung möglicherweise nicht zuverlässig."
Das liegt daran, dass all die zusätzlichen Stöße zwischen dem Gerät und Ihrem Körper als "Rauschen" auftauchen - bedeutungslose Informationen, die die Messung verzerren und zu falschen Schlussfolgerungen führen können.
Dann gibt es noch den "menschlichen Faktor", merkt Bozkurt an - die Frage der Compliance.
"Eine der Herausforderungen besteht darin, dass wir Dinge im Labor entwerfen, alles testen und unseren medizinischen Fachkräften vorlegen, die dann die Augenbrauen hochziehen und sagen: 'Nein, meine Patienten werden das nicht tragen'", so Bozkurt. "Man kann sich die Zukunft von Wearables nicht vorstellen, ohne das Problem der Compliance zu lösen.
Die Menschen wollen ein Gerät, das bequem ist, nicht auffällt und wenig Interaktion erfordert, sagt Bozkurt. "Wir nennen das Tragen und Vergessen". Man könnte dies mit dem Tragen eines Pflasters vergleichen - sicher, man bemerkt es gelegentlich, aber meistens tritt es in den Hintergrund, ohne die täglichen Aufgaben zu beeinträchtigen und ohne dass andere es überhaupt bemerken.
Eine Armbanduhr mag bequem genug erscheinen, aber die Anwendungen gehen über das hinaus, was eine Armbanduhr ermöglichen kann, bemerkt Dr. Michael Daniele, ein Mitglied des NC State / ASSIST-Teams, der weiche Nanomaterialien untersucht, um Geräte zu entwickeln, die Körperfunktionen überwachen, nachahmen oder ergänzen.
Tragbare Geräte werden entwickelt, um Patienten zu helfen und sie sogar auf eine Weise zu behandeln, "bei der der Komfort des Patienten im Vordergrund steht", sagt er.
Als Beispiel nennt er die Verwendung von Elektroden und Elektronik in Prothesenschäften für die unteren Gliedmaßen. "Stellen Sie sich ein paar Metallschrauben vor, die sich in Ihre Gliedmaßen drücken und mit denen Sie Ihr gesamtes Gewicht tragen, oder stellen Sie sich vor, Sie füllen Ihren Schuh mit einer Reihe von Steinen. Das ist der Zustand von Wearables für einen solchen Nutzer."
OK, wie macht man also Elektronik weich und dehnbar?
Eine Möglichkeit besteht darin, harte Dinge, die zur Überwachung der Gesundheit verwendet werden - wie Siliziumchips - so dünn zu machen, dass sie flexibel werden. Einer der ersten, der diese Art von Materialtechnologie in hautähnlichen tragbaren Geräten demonstrierte, war John Rogers, PhD, im Jahr 2011 in einem bahnbrechenden Science-Artikel mit dem Titel Epidermal Electronics.
"Wir waren auf diesem Gebiet schon seit einigen Jahren ziemlich aktiv", sagt Rogers, der damals an der University of Illinois tätig war und inzwischen an die Northwestern University gewechselt ist. "Aber dann erkannten wir, dass sogar Silizium - das die meisten Menschen für ein sehr starres, sprödes, steinartiges Material halten - in Formen und Dicken hergestellt werden kann, die es erlauben, es zu biegen und ... sogar zu strecken."
Rogers, dessen Team mehrere Anwendungen in der Entwicklung hat, verwendet eine Ätztechnik, um die Oberfläche eines Halbleiterwafers abzurasieren.
"Es hat sich herausgestellt, dass die gesamte Handlung in diesen integrierten Schaltkreisen auf dieser oberflächennahen Schicht stattfindet", sagt er. "Das gesamte Silizium darunter dient nur als mechanische Stütze.
Diese kritische Schicht wird dann in eine elastische Polymermatrix eingebettet, erklärt Rogers, was es ihnen ermöglicht, voll funktionsfähige Systeme zu entwickeln, die sich biegen, verdrehen und dehnen können.
Wieder andere verfolgen einen anderen Ansatz und bauen elektronische Teile von Grund auf aus Materialien, die von Natur aus weich und dehnbar sind - Polymere. Mit dieser Art von Arbeit beschäftigt sich der Stanford-Chemieingenieur Zhenan Bao, PhD, der eine Reihe von Polymeren mit leitenden Eigenschaften verwendet.
"In unserer Arbeit gewinnen wir ein grundlegendes Verständnis dafür, wie man Kunststoffmoleküle so gestalten kann, dass sie die gewünschten Funktionen und Eigenschaften haben", sagt Bao. Für hautähnliche Elektronik werden die Kunststoffe - auf molekularer Ebene - so gestaltet, dass sie leitfähig, elastisch und weich sind.
Eine der neuesten Kreationen aus Baos Labor ist ein Polymer, das leuchtet und so hautähnliche visuelle Anzeigen ermöglicht. Sie stellt sich ein Hautpflaster vor, auf dem das Display direkt angebracht ist, oder noch weiter gehend einen Telemedizin-Termin, bei dem der Arzt die Beschaffenheit der Haut des Patienten über ein dreidimensionales, naturgetreues Display sehen und fühlen kann. Beispiel: Eine Untersuchung zur Feststellung schwerer Wassereinlagerungen bei Patienten mit Herzinsuffizienz besteht darin, auf die Haut zu drücken, um zu sehen, ob sie zurückfedert, sagt Bao. Der Patient würde einen elektronischen Aufkleber um sein Bein wickeln und darauf drücken, um eine Anzeige für den Arzt vor Ort zu erzeugen. "Der Arzt könnte auf dem Display die Hautbeschaffenheit fühlen, die der Patient spürt", sagt sie - und das von einem entfernten Standort aus.
"Natürlich ist das noch weit weg", bemerkt Bao. "Aber das ist es, was ich für möglich halte, was durch hautähnliche Displays und Sensoren ermöglicht werden kann."
Weitere wilde Fortschritte: Flüssigmetalle, Plasmabindung, chemische Sensoren
Auch andere Entwicklungen gehen weiter. Fortschritte bei Flüssigmetallen ermöglichen dehnbare, leitfähige Drähte. Auf Textilien basierende, feuchtigkeitsresistente Antennen können Daten übertragen, während sie nahe an der Haut getragen werden. Methoden wie das Wasserdampf-Plasma-Bonding verbinden dünne Metalle mit weichen Polymeren, ohne dass die Flexibilität verloren geht oder hohe Temperaturen und Druck angewendet werden, die superdünne Elektronik beschädigen können.
Auch die Sensoren werden immer besser - das ist der Teil, der mit dem zu messenden Objekt interagiert. Die meisten kommerziellen Wearable-Sensoren sind mechanisch (zur Erfassung körperlicher Aktivität) oder optisch (Herzschlag, Pulsoximetrie). Aber es werden auch chemische Sensoren entwickelt, um körpereigene Marker zu messen. Diese sind entscheidend, um ein vollständiges Bild Ihrer Gesundheit zu erhalten, sagt Joseph Wang, Doktor der Wissenschaften und Professor für Nanotechnologie an der University of California, San Diego, der Forschungsarbeiten über Biosensoren und tragbare Geräte veröffentlicht hat.
Ein Anstieg des Laktatspiegels und ein Abfall des Blutdrucks können beispielsweise auf einen septischen Schock hindeuten. Die Messung des Kaliumspiegels kann Informationen über Veränderungen der Herzfrequenz liefern. Und die Kombination von Blutdruck- und Glukosemessungen kann mehr über die Gesundheit des Stoffwechsels verraten als eine der beiden Messungen allein. "Wenn man sie kombiniert, erhält man bessere Erkenntnisse", sagt Wang.
An dieser Stelle kann die neue Technologie wirklich ausgefallen sein. Chemische Sensoren werden aus einigen der exotischsten Nanomaterialien hergestellt, darunter Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Gold-Nanopartikel, sagt Daniele. Einige (insbesondere Glukosesensoren) verwenden Enzyme, die an Zielmoleküle binden. Andere verwenden Aptamere, kurze Einzelstränge aus DNA oder RNA.
Chemische Sensoren arbeiten in der Regel mit Körperflüssigkeiten wie Schweiß, Speichel, Tränen oder - wie im Falle der kontinuierlichen Glukosemessung - mit der Zwischenzellflüssigkeit (der Flüssigkeit zwischen den Zellen im Körper).
"Die meisten Dinge, die man im Blut messen will, kann man auch in der Zwischenzellflüssigkeit messen, wenn man die entsprechende Sensortechnik hat", sagt Dr. Jason Heikenfeld, Professor für Elektrotechnik an der Universität von Cincinnati. Stellen Sie sich vor, Sie könnten eine vollständige Blutuntersuchung durchführen, indem Sie einfach ein Hautpflaster aufkleben, ohne dass eine Blutprobe erforderlich ist.
Heikenfeld hat auch den Schweiß untersucht, der für die Messung des Hormonspiegels (z. B. für die Regulierung von Stress, Sex und Schlaf) und für die Überwachung verschreibungspflichtiger Medikamente nützlich zu sein scheint, d. h. für die Überwachung der Konzentration eines Medikaments im Körper und die Verfolgung, wie schnell es verstoffwechselt wird, sagt er.
Schweißsensoren könnten auch für Tests zu Hause eingesetzt werden, sagt Heikenfeld. "Wenn es einen Publikumspreis für Bioflüssigkeiten gäbe, würde der Schweiß gewinnen", sagt er. "Wir wollen kein Blut messen, wir wollen nicht in einen Becher sabbern, wir wollen uns nicht mit einem Urinstab herumschlagen. Tränen, vergiss es. Der Test wäre ein einfaches Pflaster, das man sich auf den Arm klebt; man sammelt etwas Flüssigkeit, steckt sie in einen Umschlag und schickt ihn an ein Labor.
Am Körper tragbare Energiequellen: Jenseits von AA-Batterien
Wenn man ein dehnbares, flexibles elektronisches Gerät entwickeln will, braucht man eine dehnbare, flexible und sogar abwaschbare Art der Stromversorgung. Viele der heutigen Wearables, wie z. B. Smartwatches, werden durch sehr kleine, aber dennoch starre Batterien mit Strom versorgt, sagt Bao. Daher auch die sperrige Form.
"Es gibt sicherlich einen großen Bedarf an wirklich flexiblen Batterien mit hoher Energiedichte", sagt sie.
Diese Nachfrage hat Forscher auf der ganzen Welt dazu veranlasst, Batterien zu entwickeln, die sich dehnen und biegen können. Um nur einige Beispiele aus jüngster Zeit zu nennen: Kanadische Forscher haben eine flexible, abwaschbare Batterie entwickelt, die sich auf das Doppelte ihrer ursprünglichen Länge dehnen kann und trotzdem noch funktioniert. In Singapur haben Wissenschaftler eine papierdünne, biologisch abbaubare Zinkbatterie entwickelt, die man biegen und drehen und sogar mit einer Schere zerschneiden kann - wie jedes Stück Papier - und die trotzdem funktioniert. Wieder andere entwickeln Batterien in Form von langen Streifen, die in intelligenter Kleidung verwendet werden können.
Eine weitere Option ist die drahtlose Stromversorgung, sagt Bao. Die Batterie muss sich nicht im Gerät befinden - sie kann in der Kleidung oder in der Hosentasche stecken und trotzdem die Sensoren mit Strom versorgen. Baos Labor in Stanford hat ein aufkleberähnliches Wearable namens BodyNet entwickelt, das mit Hilfe von Radiofrequenz-Identifikation aufgeladen werden kann, der gleichen Technologie, die für die Kontrolle des schlüssellosen Zugangs zu verschlossenen Räumen verwendet wird.
Wieder andere - wie Misra und ihre Kollegen bei ASSIST - erforschen Batteriealternativen wie Energy Harvesting, also die Umwandlung von Körperwärme, Sonnenenergie oder Bewegung in Strom.
Misra arbeitet an einem Energiegenerator, der den Temperaturunterschied zwischen Ihrer Haut und dem Raum in Energie umwandeln kann, um ein Gerät zu betreiben. "Sie haben eine Hauttemperatur von, sagen wir, 98,6 Grad", sagt sie. "Die Temperatur in Ihrem Zimmer beträgt wahrscheinlich etwa 70 Grad Fahrenheit. Und dieser Temperaturunterschied von 28 Grad kann über ein Gerät, einen so genannten thermoelektrischen Generator, in Strom umgewandelt werden."
Stellen Sie sich das mal vor: Man muss sich keine Sorgen mehr machen, dass die Batterie stirbt, nass wird oder wieder aufgeladen werden muss. "Ihr Körper ist die Batterie", sagt Misra.
Was kommt als Nächstes?
Damit Wearables ihr volles Potenzial ausschöpfen können, müssen alle Teile energieeffizienter werden und in einem flexiblen, dehnbaren Gehäuse untergebracht werden, sagt Misra. Außerdem müssen sie so konzipiert sein, dass Millionen, wenn nicht Milliarden von Menschen sie tragen wollen.
Das ist ebenso wichtig: Geräte, die für die medizinische Welt bestimmt sind, müssen Daten von höchster Qualität liefern. Wenn die gesammelten Daten nicht dem Goldstandard entsprechen, was nützen sie dann? Und all diese Daten müssen in nützliche Informationen umgewandelt werden. Hier kommen Datenanalyse, maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz ins Spiel. "Das sind keine unlösbaren Probleme", sagt Misra, "aber es sind spannende Probleme, an denen ein großer Teil der Community arbeitet".
Unterm Strich: Unsere tragbare Zukunft ist auf dem besten Weg.
