allTEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Biologische Systeme

Muskuläre Systeme (III)


Ein klein wenig mehr Kraft als beim Atmen steckt möglicherweise in dem Druck eines Fingers auf einen Schalter. Für die Umsetzung dieser Technologie gibt es bereits verschiedene Beispiele.

So stellt die im Jahr 2001 als Spin-Off der Siemens AG gegründete Firma EnOcean GmbH aus Oberhaching bei München seit 2002 Funkschalter für Lampen her, die das Kabel, das den Schalter normalerweise mit der Lampe verbindet, überflüssig machen. Statt dessen bewegt sich eine kleine Spule durch ein Magnetfeld, sobald jemand den Schalter drückt. Die dadurch erzeugte Energie reicht aus, um per Funk eine kurze Botschaft an den Empfänger in der Lampenfassung zu schicken – worauf die Glühbirne bzw. die LED-Leuchte erstrahlt, oder ausgeht.

Die Technik der ,batterielosen Funksensorik’ - wie der Fachbegriff lautet - lohnt sich vor allem in großen Bürokomplexen wie beispielsweise das 55-stöckige Hochhaus Torre Cristal in Madrid, das die Firma Anfang 2008 mit 4.200 Schaltern ausstattet, wobei viele Kilometer Kupferkabel eingespart werden können.

Hierzu noch einige Hintergrundinformationen:

Der Begriff ,Enocean’ bezeichnet inzwischen einen vor allem in der Überwachung und Steuerung von Haus- und Gebäudetechnik genutzten herstellerübergreifenden Standard für batterielose Funksensorik, der sich von anderen Systemen vor allem durch das Prinzip des Energy Harvesting unterscheidet, daß die Sensoren und Schalter überwiegend batterielos arbeiten. Dabei gilt die EnOcean GmbH als Erfinder der Grundlagentechnologie und Halter der entsprechenden Patente.

Zur Fortentwicklung der Enocean-Technologie wird im April 2008 die Non-Profit-Organisation Enocean Alliance mit Sitz San Ramon, USA, gegründet, ein Zusammenschluß von zwischenzeitlich mehr als 250 Unternehmen (Stand 2016). Im Jahr 2012 wird die Enocean-Technologie im internationalen Standard ISO/IEC 14543-3-10 geregelt.

Im Mai 2010 wird die Firma EnOcean, deren Funksensoren und -aktoren inzwischen in über 100.000 Gebäuden installiert worden sind, für ihre Entwicklung auf dem Gebiet der thermoelektrischen Wandler (insbesondere das Modell ECT 300) mit dem IDTechEx Energy Harvesting Award 2010 ausgezeichnet. Zudem wird die seit 2005 bestehende Zusammenarbeit mit Texas Instruments (TI) ausgebaut.

2011 stellt das Unternehmen auf der ISH den weltweit ersten selbstversorgten CO2-Sensor vor, der seine Energie aus der Bewegung, dem Licht oder den Temperaturdifferenzen in seiner Umgebung zieht. Im März 2014 sind Funkkomponenten von EnOcean bereits weltweit in über 250.000 Gebäuden im Einsatz.

Fernsteuerungs-Prototyp von NEC

Prototyp der
NEC-Fernsteuerung


Ein weiteres Beispiel ist Fernbedienung der japanischen Firma NEC Electronics, die im November 2009 in die Presse kommt.

Die in Zusammenarbeit mit der ebenfalls japanischen Soundpower Corp. entwickelte Fernbedienung kommt gänzlich ohne Batterien aus, da die beim Tastendruck entstehenden schwachen Vibrationen mittels eines piezoelektrischen Generators zur Energieversorgung genutzt werden. Bereits mit dem Prototyp ist es möglich, die elementaren Funktionen eines TV-Geräts, wie Ein- und Ausschalten, Lautstärke und Kanalwechsel zu steuern.

Zum Einsatz kommt ein vibrationsbasierter Generator von Soundpower, einem Piezoelektrik-Spezialisten, der auch in den Test in Tokio involviert ist, wo entsprechende Bodenplatten in Bahnhöfen die Schritte der Fahrgäste zur Energiegewinnung nutzen sollen. Ich habe darüber bereits im Kapitel Muskelkraft geschrieben. Soundpower beschäftigt sich außerdem mit der Nutzung von Schallwellen beim Sprechen zur Stromerzeugung (s.u.).


Wesentlich häufiger und andauernder als Lichtschalter oder Fernbedienungen werden allerdings die Tasten von Computer-Keyboards oder die Apps etc. auf Touchscreens gedrückt. In einer 1999 erschienenen Studie von M. Nagurka et al. an der Marquette University in Milwaukee, Wisconsin, in der es eigentlich um ein besseres Verständnis für das taktile ,Gefühl’ von Keyboards geht, wird berechnet, daß es etwa 1,5 mJ erfordert, eine Buchstabentaste zu drücken, während die großen Enter- und Leer-Tasten 2,5 mJ benötigen. Woraus sich vielleicht einiges recyclen ließe, wie einige Unternehmen denken.

Im Jahr 1999 erhält die Firma Compaq Computer Corp. aus Houston in Texas das Patent für ein Verfahren, mit der Energiezufuhr aus den Tastatur-Eingaben die Laptop-Batterien aufzuladen. Als Erfinder wird Adrian Crisan aus Cypress genannt (US-Nr. 5.911. 529, angemeldet 1997).

Compaq kann bereits einen Prototypen vorweisen, in dem jede Taste einen daran befestigten, winzigen Magneten besitzt, der den Bruchteil eines Gramms wiegt. Dieser wird durch eine Spule bewegt, wenn die Taste gedrückt wird, und induziert einen kleinen Strom, der vorübergehend in einem Kondensator gespeichert wird. Ist dieser nach wiederholten Anschlägen geladen, überträgt er seine Energie an die Batterie, um deren Funktionsdauer zu verlängern. In einer zweiten Ausführungsform sind an der einzelnen Taste gleich mehrere Magneten montiert, um die Leistungsfähigkeit der Tastatur zu verbessern.

Für die kommerzielle Verwertung bereit ist das System zu diesem Zeitpunkt bei weitem noch nicht, das auch eingesetzt werden soll, um die Größe der Primärbatterie zu reduzieren, was zu leichteren tragbaren Computern führen soll. Kritiker bemängeln allerdings, daß eine Energiebeschaffung auf diesem Weg kaum sinnvoll sei und belegen dies mit einer Berechnung:

Ein durchschnittlicher Roman enthält eine halbe bis eine Million Zeichen, deren Eingabe etwa ein Kilojoule erzeugt. Wird viel umgeschrieben, könnten auch 2 – 3 kJ daraus werden. Damit ließe sich ein Laptop etwa 15 Sekunden lang betreiben, sodaß man alle zehn Sekunden einen komplette Roman schreiben müßte, um das Gerät ununterbrochen in Betrieb zu halten.


Trotz dieser rechnerischen Einschränkung beschäftigen sich auch andere Seiten damit, Laptops mittels Tippen, und Kameras durch das Drücken des Auslösers mit Strom zu versorgen. In einer im Juni 2011 erschienenen Veröffentlichung beschreibt ein Team um die Professorin Madhu Bhaskaran vom Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT), wie ein piezoelektrischer Film in Verbindung mit den beweglichen Teilen elektronischer Geräte verwendet werden kann, um deren Batterien aufzuladen.

Das Team präsentiert eine Nanoindentor-Spitze als ein Werkzeug, um die Erzeugung elektrischer Energie aus piezoelektrischen Dünnfilmen zu beschreiben. Dabei wird solche direkte Wechselwirkung im Nanometer-Maßstab zum ersten mal für die kontrollierte in-situ-Charakterisierung von Spannung und Strom dieser Dünnfilme genutzt. Die quantitativen Ergebnisse zeigen, daß die Nanostrukturierung verbesserte Materialien für integrierte Energy-Harvesting-Systeme im Mikrometer-Maßstab ergibt.

Die Leistung, die von der aktuellen Generation Piezo-Folien geerntet wird, beträgt 250 W/mm2 bei einer Kraft von 5,0 mN. Um eine ,ewige’ Batterie zu konstruieren oder bestehende Batterien zu ersetzen, muß dies um das Zehnfache gesteigert werden. Bhaskaran arbeitet zwar noch mindestens bis 2013 im Rahmen eines Postdoc-Programms des Australian Research Council an der Erforschung piezoelektrischer Dünnfilme, scheint bislang aber nichts mehr darüber publiziert zu haben.


Das japanische Spezialchemie-Unternehmen Kuraray Co. Ltd. stellt schon im November 2010 einen neuen Polymerfilm vor, der Spannung erzeugt, wenn er gebogen wird, wobei die Stärke der Spannung vom Grad der Biegung abhängig ist. Der Film sollte eigentlich als Sensor für medizinische Geräte und verschiedene Eingabegeräte verwendet werden, scheint es bislang aber nicht zum Produkt geschafft zu haben. Auch auf der Homepage des Unternehmens ist nichts mehr darüber zu finden.


Von der US-Firma Kaba Access Control aus North Carolina stammt ein im Februar 2011 erstmals präsentiertes, selbstbetriebenes Türschloß mit programmierbarer elektronischer Zugangskontrolle.

Die patentierte Powerstar-Technologie der E-Plex 2000-Serie (später: PowerPlex 2000) sorgt dafür, daß das Schloß mit jeder Betätigung der Türgriffs nach unten einen Generator antreibt, der die notwendige Elektrizität liefert, die in einem Kondensator gespeichert wird. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, jemals irgendwelche Batterien kaufen oder ersetzen zu müssen. Darüber hinaus gibt es keine Verdrahtung an oder durch die Tür.

Im Nachhaltigkeitsbericht des Unternehmens 2013 wird die Innovation als Higlight bezeichnet – und im Firmenreport 2015 noch immer als Initiative. Von einem Produkt hingegen ist bislang nichts zu sehen.


Im April 2011 veröffentlichen Forscher der University of Auckland in Neuseeland einen Bericht über eine besondere Klasse von veränderlichen Kondensator-Generatoren, die als dielektrische Elastomer-Generatoren (DEG) bekannt sind und großes Potential als tragbare Energy-Harvesting-Systeme zeigen. Die DEGs ermöglichen die Herstellung leichter, weicher, formschlüssiger und stiller Energie-Ernter mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften, die gut zu menschlichen Muskeln passen.

Das Team des Biomimetics Laboratory um Thomas McKay, das sich mit der Schaffung neuer Technologie durch Biomimikry befaßt, betont, daß das Potential der kostengünstigen und tragbaren DEGs bisher durch den Bedarf nach einer sperrigen, starren und teuren externen Schaltung begrenzt war. Die Neuentwicklung betrifft daher einen super-dünnen, weichen DEG, dessen dehnbare Schaltungselemente in der Membran selbst integriert sind.

Mit einem 10 cm großen Prototypen, der aus preiswerten Gummi-Membranen und dem als Montagepaste bekannten Kohlenstoff-Fett (Carbon Grease) besteht und in einem Acrylglas-Rahmen montiert ist, werden bei einem Wirkungsgrad von 12 % immerhin schon 10 mW erreicht. Dabei kostet der kolbenartigen Generator nur 3,70 $, zu denen nochmals 20 $ für das Acrylglas kommen.


Nur wenige Monate später, im Oktober 2011, ist aus dem Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt zu hören, daß sich hier Forscher um William Kaal mit elektroaktiven Elastomeren (EAE) beschäftigen. Wie Piezokeramiken gehören elektroaktive Elastomere zu den sogenannten ,smart materials’, die sich bei Anlegen eines elektrischen Feldes mechanisch verformen.

Elektrode und Elastomer

Elektrode und Elastomer

Da Elastomerbauteile klassischerweise genutzt werden, um in stark schwingenden technischen Systemen große Bewegungen auszugleichen und zu dämpfen, wird überlegt, ob diese nicht ,intelligent’ gemacht werden können, um sich aktiv zu verformen, Massen zu heben und zum Schwingen anzuregen. Sie könnten dann viel effektiver störende Schwingungen bekämpfen, indem sie Gegenschwingungen erzeugen – oder aus den Schwingungen, die sie dämpfen, elektrische Energie gewinnen.

Als Demonstrator wird ein neuartiger Stapelaktor entwickelt, der die speziellen Eigenschaften der elektroaktiven Elastomere nutzt und völlig neue Anwendungsbereiche erschließen soll, insbesondere im Bereich des Energy-Harvesting mit kleinen Amplituden, wo mechanische Umgebungsenergie aus Vibrationen in elektrische Energie gewandelt wird. Aber auch große Bewegungen, wie sie beispielsweise von Meereswellen hervorgerufen werden, wollen die Forscher zur Energiegewinnung nutzen.

Der Demonstrator hat 50 aktive Schichten von je 140 µm Schichtdicke und einer Grundfläche von 60 x 60 mm. Wird ein elektromagnetischer Schwinger auf den Stapelaktor gestellt, wandelt er die Vibrationen in Strom um. Mit einer Ansteuerungsspannung von 1,5 kV sind quasistatische Dehnungen von mehreren Prozent möglich, was durch eine Verringerung der Schichtdicke weiter verbessert werden soll. Zudem wird bereits am Aufbau eines größeren Systems gearbeitet.

Im Juni 2012 folgt aus dem Fraunhofer-Institut ein weiterer Bericht, aus dem auch einige Details der obigen Umsetzung bekannt werden. Demnach werden die eigentlich starren und die Verformung des Elastomers behindernden Metallelektroden mit mikroskopisch kleinen Löchern versehen, in die das Elastomer ausweichen kann, sobald es durch eine elektrische Spannung verformt wird. Die Abbildung zeigt im Vordergrund die gitterförmige Elektrode und im Hintergrund das Elastomer. Zudem werden in diesem Jahr numerische Beschreibungen der elektroaktiven Elastomere durchgeführt.

Obwohl die Stapelaktor-Technologie weitgehend ausgereift sei, müssen nun Dauertests zeigen, wie langzeitbeständig die intelligenten Aktoren sind, bevor an eine industrielle Massenproduktion gedacht werden kann.

Einer Meldung vom Mai 2015 zufolge beschäftigt sich inzwischen auch das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) in Berlin mit den elektrisch leitenden Elastomeren. Im Rahmen des bereits im Oktober 2013 gestarteten MATFLEXEND Projekts der Europäischen Kommission, das vom IZM geleitet wird, sollen in erster Linie neue Materialien erforscht werden, die kapazitiv-mechanisches Energieernten auf Basis von High-k-Dielektrikum-Kompositen und elektrisch leitenden Elastomeren als variable Kondensatorelektroden ermöglichen.

Die Ziele des bis Ende September 2016 laufenden EU-Projekts sind flexible Energiewandler und -ernter sowie ebenfalls flexible Akkus dafür. Als Anwendungen werden tragbare Elektronik in Form intelligenter Textilien oder Schuheinlagen, autonome elektrochemische Sensoren sowie Chipkarten entwickelt, die aufgeladen werden, wenn man sie biegt. Darüber hinaus denken die Forscher auch an Anwendungen in Fluß- oder Meeresströmungen, wo die Elastomere bis zu 1 kW erreichen sollen. Überraschender weise verschwindet diese letzte Bemerkung innerhalb kürzester Zeit wieder aus den Quellen, sodaß sie sich inzwischen nicht mehr genauer recherchieren läßt.

In jedem Fall erinnert dieser Ansatz an die Arbeiten, die schon in den später 1990er Jahren bei SRI International in Menlo Park, Kalifornien, erfolgt sind, als dort ein gummiartiges Material mit dem Namen Electroactive Polymer Artificial Muscle (EPAM) entwickelt wurde, das durch zyklisches Auseinanderziehen und anschließende Kontraktion Elektrizität erzeugt und im Bereich der Wellenenergie genutzt werden soll. Ich habe darüber sowohl im Kapitel zur Muskelkraft, als auch in der Länderübersicht Wellenenergie/USA berichtet (s.d.).


Wie im April 2013 zu erfahren ist, beschäftigt sich auch Prof. Carmel Majidi an der Carnegie Mellon University, der dafür mit  360.000 $ von dem Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) finanziert, mit dem Einsatz von Elastomeren im Bereich der Soft-Robotik – einer neuen Domäne in der Robotik, in welcher die Roboter aus weichen Materialien hergestellt sind und dadurch mehr jene Funktionalitäten und Eigenschaften aufweisen, wie sie in natürlichen Organismen auftreten.

Besonderes Interesse besteht dabei an Materialien, die in der Lage sind durch eine elastische Verformung Energie aus ihrer Umgebung zu ernten. Über praktische Umsetzungen durch das Majidi-Team habe ich bislang nichts finden können.


An dieser Stelle sei auch auf das im Jahr 2006 als Spin-off der Penn State University von Ralph Russo und Prof. Qiming Zhang gegründete Unternehmen Strategic Polymer Sciences Inc. (SPS) in State College, Pennsylvania, hingewiesen, das mit gepulsten Leistungskondensatoren hoher Energiedichte startet, die z.B. in Waffensystemen verwendet werden, welche sehr hohe Energiestöße oder große Energiemengen benötigen, die in Millisekunden freigesetzt werden. Ein weiteres Feld ist die Entwicklung von Technologien, die auf einer Weiterentwicklung der elektroaktiven Polymere (EAP) basieren.

Die Aktoren und Sensoren der Firma beruhen auf elektromechanischen Polymeren (Electrical-Mechanical Polymers, EMP), die Zhang Anfang 2000 im Zusammenhang mit der wissenschaftlichen Entdeckung einer neuen Klasse von ferroelektrischen Materialien gefunden hatte. Das EMP ist ein piezoelektrisches Polymermaterial in Form einer nur 200 µm dünnen, leichten und flexiblen Folie, die sich ausdehnt, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird – bzw. eine elektrische Ladung erzeugt, wenn sie verformt oder von einer Fingerspitze gedrückt wird.

Nach der Seed-Föderung durch die Ben Franklin Technology Partners of Central and Northern Pennsylvania in Höhe von 50.000 $ im Mai 2007, kann die Firma in einer Finanzierungsrunde A im Mai 2008 von Ben Franklin, der Life Sciences Greenhouse of Pennsylvania, Wilson Sonsini Goodrich & Rosati und Chengwei Capital insgesamt 3 Mio. $ einwerben. Im Jahr 2010 kommen ein Zuschuß von 1 Mio. $  vom Department of Energy dazu, um Hochleistungs-Energiespeicher für Elektrofahrzeuge weiter zu entwickeln – sowie weitere 3 Mio. $ vom National Institute of Health für die Entwicklung medizinischer Geräte.

Nachdem die Firma ihren Namen in Novasentis Inc. ändert und den Hauptsitz nach Burlingame in Kalifornien verlegt, bekommt sie in einer Finanzierungsrunde B im Juni 2014 von Chengwei Capital sowie Samsung Ventures weitere 10,41 Mio. $.

Im April 2016 vereinbaren Novasentis und die KEMET Corp., ein weltweit führender Anbieter von elektronischen Komponenten, eine Zusammenarbeit, um auf Basis der EMP-Folie die nächste Generation haptischer Aktoren für tragbare Geräte zu konstruieren. KEMET wird hierzu das Herstellungsverfahren für die Endmontage entwickeln. Ein Produktions-Prototyp soll im Sommer 2016 bereitstehen, die Produktion selbst dann im Frühjahr 2017 beginnen.


Die Energiegewinnung über intelligente Materialien wird seit einigen Jahren auch von Forschern des französischen Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA) und der Université de Lyon verfolgt. Hier konzentriert man sich auf elektrostriktive Polymere, die als Untergruppe der Elektroaktiven Polymere (EAP) gelten, und ihre potentielle Fähigkeit mechanische Energie zu ernten. Die ersten Veröffentlichungen der Wissenschaftler um P. J. Cottinet stammen aus dem Jahr 2010.

Im Februar 2016 berichtet die Gruppe von einem bedeutenden Durchbruch, als sich das Hinzufügen eines Weichmachers als effiziente Methode erweist, die mechanische Energie-Ernte-Leistung dieser Materialien merklich zu verbessern.

Die Arbeit der Gruppe konzentriert sich weitgehend auf den piezoelektrischen Effekt, obwohl die elektrostriktiven Polymere von Natur aus nicht-piezoelektrisch sind. Allerdings läßt sich bei ihnen ein pseudo-piezoelektrischer Effekt induzieren, wenn sie einem groß angelegten Gleichstrom-Feld ausgesetzt werden. Dies soll nun ausgenutzt werden, um die Entwicklung mechanischer Energie-Ernter auf Basis der elektrostriktiven Polymere anzugehen.

Viren-Elektrode Grafik

Viren-Elektrode (Grafik)


Vom Mai 2012 datiert eine Veröffentlichung von Wissenschaftlern aus dem Lawrence Berkeley National Laboratory des US-Energieministeriums um Seung-Wuk Lee, denen es erstmals gelingt, Strom aus den piezoelektrischen Eigenschaften eines biologischen Materials zu erzeugen.

Daß hierarchisch organisierte natürliche Materialien wie Knochen, Kollagenfibrillen und Peptid Nanoröhrchen piezoelektrische Eigenschaften aufweisen können, ist bereits seit 1962 (Generation of electric potentials by bone in response to mechanical stress, von C. A. L. Bassett & R. O. Becker), 1983 (Piezoelectric properties of biological polymers, von E. Fukada) bzw. 2010 bekannt (Strong piezoelectricity in bioinspired peptide nanotubes, von A. Kholkin et al.).

In dem aktuellen Bericht wird ein aus genveränderten Viren konstruierter, briefmarkengroßer Generator beschrieben, der die ausgeübte Kraft eines Fingerdrucks in elektrische Energie umwandelt. Hierfür werden die für Menschen harmlosen Bakteriophagen des Typs M13 genutzt, deren Wirt E. coli-Bakterien sind. Die stäbchenförmigen, 880 nm langen und 6,6 nm dicken Viren replizieren sich rasant schnell in Bakterien und formieren sich, wenn es sie in großen Mengen gibt, selbständig zu einem geordneten Film. Bedeckt werden sie jeweils von etwa 2.700 Mantel-Proteinen mit einem Dipol.

Die piezoelektrischen Eigenschaften der Viren zu bestätigen, leiten die Wissenschaftler mit einem Piezokraftmikroskop Strom auf einen nano-dünnen Film von Viren, wobei sich zeigt, daß sich die Mantel-Proteine in Reaktion darauf bewegen und drehen. Um den Effekt zu stärken, werden mittels Gentechnik am negativen Dipol-Ende der Mantel-Proteine 1-4 negativ geladene Aminosäuren hinzugefügt, was die elektrische Spannung der Viren tatsächlich erhöht.

Eine weitere Steigerung wird erreicht, indem die aus einzelnen Virenschichten bestehenden Filme übereinander gelegt werden. Dabei wird die stärkste piezoelektrische Wirkung bei 20 übereinander liegenden Schichten von Viren mit vier zusätzlichen negativen Aminosäuren beobachtet.

Für den Bau des 1 cm2 großen biologischen piezoelektrischen Generators werden mehrere Schichten der genveränderten Bakterien zwischen zwei vergoldeten Elektroden plaziert, die mit einem kleinen LCD-Bildschirm verbunden sind. Bei Druck erzeugt der Virengenerator eine Spannung von bis zu 400 mV und eine Stromstärke von bis zu 6 nA, was ausreicht, um pro Fingerdruck die Zahl 1 kurz auf dem Bildschirm aufleuchten zu lassen.

Ob sich die Innovation auch umgekehrt als Speichermedium verwenden läßt, ist noch ungeklärt – ebenso wie belastbar und andauernd die Viren Strom erzeugen können. Zudem sind die piezoelektrischen Vorgänge bei Biomaterialien auf molekularer Ebene noch nicht geklärt, weil deren Verhalten nicht den klassischen Theorien entspricht, die auf der Grundlage von ganz anders gearteten kristallinen Strukturen gebildet worden sind.

Über Viren-Batterien berichte ich im Kapitel zur Energiespeicherung (s.d.)


Über den o.e. KAIST-Wissenschaftler Prof. Keon Jae Lee wird im Dezember 2013 berichtet, daß er gemeinsam mit seinem Kollegen Prof. Yoon Sung Nam einen flexiblen piezoelektrischen Nanogenerator zur Energiegewinnung entwickelt habe, der ebenfalls auf genveränderten M13 Viren basiert, sowie der Synthese eines hochpiezoelektrischen anorganischen Materials namens Bariumtitanat (BaTiO3 o. BTO). Damit soll es möglich sein, einen Hochleistungs-Nanogenerator herzustellen, der in der Lage ist, kommerzielle LCD-Bildschirme und LED-Lampen alleine durch Fingerbewegung zu betreiben.

Spermbots Grafik

Spermbots (Grafik)


Ebenfalls zu den biologisch betriebenen Systemen gehören die sogenannten Spermbots, an deren Entwicklung Wissenschaftler am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW Dresden) um Prof. Oliver G. Schmidt arbeiten. Sie bestehen aus kleinen Röhren und werden von einzelnen lebenden Spermien angetrieben. Die Steuerung ihrer Geschwindigkeit geschieht durch Veränderung der Temperatur, und um sich in eine gewünschte Richtung zu bewegen, lassen sich die Bio-Roboter zudem magnetisch steuern.

Die als sicherere Alternative zu künstlichen Nanomotoren gedachten Spermbots, über die erstmals im Januar 2014 berichtet wird, sind robust genug, um eine spezielle Samenzelle zu einer Eizelle zu führen. Die weitere Entwicklung der Technologie soll Eltern, die versuchen ein Kind zu bekommen, eine Alternative zur in-vitro-Befruchtung bieten. In perfektionierter Form könnten die Spermbots aber auch als sicheres Mittel zur gezielten Arzneimittelabgabe oder sogar zur Genmanipulation verwendet werden.

Die Idee dazu war den Forschen fünf Jahre zuvor gekommen, als sie bemerkten, daß Samenzellen mit ihren starken biologischen Geißel-Motoren von ähnlicher Größe wie die Mikroröhrchen sind, die sie im Labor fertigen können. Sie beginnen mit Samenzellen von Stieren zu arbeiten, die in der Größe den menschlichen ähnlich sind. Spermazellen sind ideale Kandidaten, um in Biobots verwandelt zu werden, da sie leicht verfügbar, harmlos und beim Schwimmen durch Körperflüssigkeiten sehr effizient sind.

Der erste Schritt zur Herstellung der Spermbots besteht darin, dünne, konische Magnetröhrchen aus einem Titan- und Eisen-Film zu erzeugen, die fähig sind Samenzellen einzufangen. Aus einem etwa 22 x 22 mm großen Chip können rund 200.000 gut definierte Mikrotubuli produziert werden. Diese sind so aufgerollt, daß ein Ende größer ist als das andere, mit einem Durchmesser, der etwas größer ist als der Kopf einer Bullenspermie.

Werden lebende Samenzellen in eine Lösung in einer Petrischale gegeben, welche diese Mikrotubuli enthält, schwimmen die Spermien herum, bis sie zufällig in die Röhrchen hineindringen. Einmal drinnen, sie sind mechanisch eingesperrt und treiben die Röhrchen mit bis zu 100 µm/s voran, wenn sie sich bewegen, was etwa der zweifachen Körperlänge des Spermbots entspricht.

Spermbot mit Spiralenantrieb

Spermbot mit
Spiralenantrieb

Nun arbeiten die Forscher daran, daß der Spermbot sein Spermium magnetisch wieder freigibt, sobald er die gewünschte Position erreicht. Alternativ soll es auch möglich sein, die Spermien zu befreien, indem die Röhrchen durch Veränderung der Temperatur entrollt werden, kurz bevor sie das Ei erreichen. Die ausgedienten Metallfilme können dann mit wenig oder gar keiner Gefahr per Magnetfeld aus dem Körper entfernt werden. Auch im Vergleich zu magnetischen Nanopartikeln sind magnetische Mikrotubuli nicht so gefährlich. Sie können schließlich nicht in die Zellen dringen, weil sie ja größer sind als die Zelle selbst.

Bevor Experimente und klinische Studien mit menschlichen Spermien beginnen, plant das Team, die assistierte Befruchtung mit Tieren zu versuchen.

Einer Meldung vom Februar 2015 zufolge sind die Spermbots des IFW Dresden derweil beträchtlich weiterentwickelt worden – und werden inzwischen mittels eines 3D-Druckers hergestellt. Mit diesem entstehen aus einem Photopolymer winzigste Kunststoffspiralen, die zusätzlich mit einer Metallschicht überzogen werden, um ihnen magnetische Eigenschaften zu verleihen, damit sie von einem rotierenden magnetischen Feld gesteuert werden können.

Dieses übernimmt nun aber auch die Antriebsfunktion, indem es den Metallwendel um einen Samenschwanz wickelt und diesen dann gesteuert vorantreibt, bis er die Wand eines Eies erreicht, worauf die Helix ihre Drehrichtung umkehrt, um sich von der Spermie zu lösen – was allerdings noch nicht immer klappt.


Eine kurze Recherche zeigt, daß im Jahr 2014 auch ein Team um Islam S. M. Khalil von der Deutschen Universität in Kairo (GUC) und Sarthak Misra von der Universität Twente in den Niederlanden an einem 322 nm langen Mikroroboter mit der Form eines Spermiums arbeitet, der mit schwachen Magnetfeldern kontrolliert wird und den daher passenden Namen MagnetoSperm trägt. Biologische Komponenten werden hier allerdings keine eingesetzt.

Interessant in diesem Zusammenhang ist auch eine noch etwas weiter zurückliegende Veröffentlichung vom November 2012, in welcher Kathrin E. Peyer und Bradley J. Nelson vom Institut für Robotik und Intelligente Systeme (IRIS) der ETH Zürich gemeinsam mit Li Zhang von der Chinese University of Hong Kong in Shatin die biologischen Vorbilder für magnetisch schwimmende Mikroroboter für biomedizinische Anwendungen untersuchen. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf einem Schraubenantrieb, der von E. Coli-Bakterien inspiriert wurde.

Energie-Kinnriemen

Energie-Kinnriemen


Vom September 2014 datiert die Meldung, daß eine Gruppe von Forschern der École de technologie supérieure (SEV) in Montreal, Kanada, einen Kinnriemen aus piezoelektrischem Faserverbundwerkstoff (Piezoelectric Fiber Composites, PFC) entwickelt hat, der die Energie von Kieferbewegungen ernten kann. PFC ist eine Art von piezoelektrischen smart material, das aus integrierten Elektroden und einer Klebstoffpolymermatrix besteht. Das Gerät soll beim essen, sprechen oder (igitt!) Kaugummi-kauen Strom für kleine implantierbare Systeme erzeugen.

Kieferbewegungen haben sich als einer der aussichtsreichsten Kandidaten herausgestellt, um aus menschlichen Körperbewegungen Strom zu produzieren. Die Forscher schätzen, daß allein vom Kauen während der Mahlzeiten durchschnittlich etwa 7 mW Leistung erzeugt werden könnten. Ihr Kinnriemen-Versuchsmodell ist aus einer einzigen Schicht PFC hergestellt und mit elastischen Seitenbändern an einem Paar Ohrenschützer befestigt. Um eine maximale Leistung zu gewährleisten, wird das Testgerät eng angelegt.

Im Zuge der Tests, bei denen die Versuchspersonen für 60 Sekunden zu kauen hatten, beträgt die maximale Energiemenge, die von den Kieferbewegungen geerntet werden kann, 10 – 18 µW. Bis die Leistung des Gerätes ausreichend ist, um elektrische Geräte mit Strom zu versorgen, ist es daher noch ein langer Weg. Dessen erster Schritt besteht darin, die PFC-Schichten zu multiplizieren. 20 Schichten mit einer Gesamtdicke von 6 mm beispielsweise sollten 200 µW erreichen – genug, um einen intelligenten Gehörschutz zu versorgen. Die einzelne PFC-Schicht kostet dabei rund 20 $.


Ein früherer, ähnlicher Ansatz stammt übrigens von Olfa Kanoun, seit 2007 Professorin für Meß- und Sensortechnik an der TU Chemnitz, die dort auch eine Forschungsgruppe zum Thema Energy Harvesting leitet. Zudem veröffentlicht sie das Buch ,Energy Harvesting: Grundlagen und Praxis energieautarker Systeme’.

Im Jahr 2008 kommt sie mit ihrem Team in die Presse, als von einem Generator berichtet wird, der die beim Sprechen und Kauen erzeugten Vibrationen des Wangenknochens in Strom umwandelt, um damit beispielsweise die Knopfzellen von Hörgeräten nachzuladen.

Auf der Suche nach einer geeigneten Energiequelle hatten die Forscher zunächst nach der Stelle des menschlichen Körpers gesucht, die die meiste Energie abgibt, und zu ihrer Überraschung festgestellten, daß nicht, wie erwartet, aus den Vibrationen bei Laufbewegungen, sondern aus den Bewegungen des Kiefers beim Kauen und Sprechen die meiste Energie geerntet werden kann. Zudem wird beim Kiefer die Energie dort gewandelt, wo sie auch gebraucht wird.

Zu den Herausforderungen, die nun bewältigt werden müssen, gehört, daß der elektromechanische Wandler nur etwa die Größe eines Stecknadelkopfes haben darf, damit er in ein Hörgerät paßt. Ein anderes Problem ist das Energiemanagement, das nötig ist, damit der Generator die unregelmäßigen Kieferbewegungen in eine konstante Spannung wandelt.

Bislang gibt es den Generator noch nicht, doch den Berechnung zufolge soll sich die Lebensdauer einer Batterie damit um ein Zehntel verlängern lassen. Davon ausgehend, daß ein herkömmliches Hörgerät pro Jahr etwa 60 Batterien verbraucht, brächte der Kaugenerator eine Ersparnis von etwa sechs Stück. Ist das Konzept fertig, wollen die Chemnitzer das System zusammen mit einem Industriepartner umsetzen. Wozu es aber nicht gekommen ist, denn danach war nie mehr etwas darüber zu hören.


Üblicherweise mit den Fingern – wengleich einige Menschen dafür auch die Zähne nehmen – werden die Kappen von Kugeschreibern, Markern oder anderen Stiften abgezogen. In beiden Fällen geschieht es jedoch unter Einsatz der Muskeln.

Die im September 2014 kursierende Meldung über einen neuen Insulin-Injektions-Stift für die weltweit über 370 Mio. Diabetespatienten betrifft eine Produktentwicklung der britischen Firma Cambridge Consultants, die das tägliche Management der Krankheit zu einer einfachen und präzisen Aufgabe machen soll.

Der KiCoPen, der auf den Industriedesigner Adam Haynes zurückgeht, ist so konzipiert, daß er die injizierte Dosis genau erfaßt und die Information zusammen mit einem Zeitstempel an eine zugehörige Smartphone-App sendet. Dies geschieht ohne Batterie, da der Stift die benötigte Energie für seinen Einzelchip quasi selbst erzeugt – wenn seine Kappe abgezogen bzw. wieder aufgesteckt wird. Leider wird nicht mitgeteilt, welche technische Lösung hierbei verwendet wird. Eine weiterentwickelte Ausführung des KiCoPen gewinnt ein Jahr später den Red Dot Design Award.


Alles, was größere und stärkere Muskeln anbelangt, wird im Kapitel Muskelkraft behandelt (s.d.).

 

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