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Power für Diagnostik und Wearables

Strom per Atemzug: Sensor überwacht Vitalwerte ohne Batterie

29. Januar 2026, 10:02 Uhr | Ute Häußler

Die weiche Sensormatte kann sowohl in Kleidung wie auch in Wearables direkt integriert werden und erzeugt Energie aus den Bewegungen der Träger:innen.

Ein neuartiger Sensor tankt Energie aus der Atmung, Batterien werden überflüssig. Englische Forschende haben ein flexibles Gewebe entwickelt, das selbst kleinste mechanische Bewegungen in elektrische Energie umwandelt und gleichzeitig Vitaldaten wie Atemfrequenz erfasst. Der Trick: Ein Nanomaterial.

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Ein Team der University of Surrey um Sajib Roy und Ravi Silva vom Advanced Technology Institute hat ein flexibles Nanofaser-Gewebe entwickelt, das den triboelektrischen Effekt zur Energiegewinnung nutzt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen, die in Smartwatches und anderen Wearables verwendet werden und auf Batterien und regelmäßiges Aufladen angewiesen sind, handelt es sich bei der Technologie um eine weiche Sensormatte, die in Kleidung oder Wearables der nächsten Generation integriert werden kann und ihre Energie aus sanften Bewegungen wie Atmen, Gehen oder Drehen während des Schlafs gewinnt.

Die entscheidende Innovation liegt in der Integration von Borophen – einer zweidimensionalen Struktur aus einer einzelnen Schicht Bor-Atomen – in das Polymer PVDF-HFP. Diese Kombination erhöht die Dielektrizitätskonstante des Materials deutlich und verbessert damit sowohl die Energiespeicherung als auch die Ladungstrennung.

In der Fachzeitschrift Advanced Materials berichten die Wissenschaftler von einer 13-fachen Leistungssteigerung gegenüber reinem PVDF-HFP. Das Borophen fördert während des Electrospinning-Prozesses die Bildung der piezoelektrisch aktiven β-Phase und verbessert durch interfaciale Polarisation die Elektronendonator-Eigenschaften. Zudem bewirkt das Material eine Oberflächentransformation von hydrophob zu superhydrophob, was die Langzeitstabilität bei Kontakt mit Schweiß und Feuchtigkeit erhöht.

Technische Parameter und Fertigungsverfahren

In Laborversuchen erreichte das System eine Leerlaufspannung von bis zu 510 Volt bei Mikroampere-Stromstärken. Die Sensitivität liegt bei 53,8 ± 1,2 V/kPa bei 3 Hz Frequenz, verbunden mit einer Leistungsdichte von 1,2 W/m². Die Herstellung erfolgt mittels Electrospinning, bei dem das Polymer unter Hochspannung zu extrem feinen Fasern versponnen wird. Dieses Verfahren gilt als skalierbar und damit industriell verwertbar.

Das Borophen beeinflusst dabei nicht nur die elektrischen Eigenschaften, sondern optimiert auch den Electrospinning-Prozess selbst durch erhöhte Jet-Spannung und verfeinerte Fasermorphologie. Die resultierende Nanostruktur zeigt eine verbesserte Oberflächenladungsspeicherung und ermöglicht selbst die Detektion subtiler mechanischer Bewegungen.

Demo: 16-Sensor-Array für Schlafmonitoring

Als Anwendungsbeispiel realisierten die Forscher ein Array aus 16 Sensoren zur Überwachung von Schlafmustern. Das System erkennt anhand minimaler Atembewegungen nicht nur die Anwesenheit einer Person, sondern erfasst auch physiologische Parameter wie Atemfrequenz und -tiefe. Die Energieausbeute reicht aus, um das komplette Sensor-Array sowie stromsparende Elektronik zu betreiben.

»Die wichtigste Errungenschaft unserer Arbeit ist, dass der Sensor extrem empfindlich auf sehr kleine Bewegungen reagiert und sich gleichzeitig selbst mit Strom versorgt«, erklärt Sajib Roy die Bedeutung der Entwicklung. Das Gerät könne subtile menschliche Bewegungen erkennen und dabei genug Energie erzeugen, um stromsparende Elektronik zu betreiben.

Einsatzpotenzial in Pflege und Diagnostik

Ravi Silva, Leiter des Advanced Technology Institute, sieht in der Entwicklung einen direkten Weg, materialwissenschaftliche Fortschritte in praktische Gesundheitstechnologien zu übersetzen. Die Forscher nennen als potenzielle Anwendungsfelder die Überwachung von Schlafstörungen, Demenz-Monitoring und zukünftige Mensch-Maschine-Schnittstellen.

Die batterielose Funktionsweise könnte besonders in der Langzeitüberwachung und Pflege Vorteile bieten, da wartungsintensive Batteriewechsel entfallen. Die superhydrophobe Oberfläche verspricht zudem Robustheit im direkten Hautkontakt über längere Zeiträume. (uh)