Project

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Enhancing the capabilities of artificial muscle implants using low-voltage dielectric elastomer sensors

Applicant Töpper Tino
Number 175197
Funding scheme Bridge - Proof of Concept
Research institution
Institution of higher education University of Basel - BS
Main discipline Other disciplines of Physics
Start/End 01.09.2017 - 30.04.2019
Approved amount 185'001.00
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All Disciplines (5)

Discipline
Other disciplines of Physics
Biophysics
Material Sciences
Organic Chemistry
Technical Physics

Keywords (6)

Dielectric elastomer sensor; Human machine interface; Smart medical device; Compliant metal/elastomer nanostructures; Nanometer-thin polymer films; Digitalized patient doctor interaction

Lay Summary (German)

Lead
Biegsame elektronische Bauteile auf Basis von dielektrische Elastomeren, sogenannte „dielectric elastomer transducers“ (DET), sind bekannt für ihre mechanischen Eigenschaften ähnlich denen menschlichen Muskelgewebes. Die außergewöhnliche Effizienz, um elektrische in mechanische Energie zu transformieren, hat diese Technologie bereits im Bereich robotischer Anwendungen etabliert und macht sie zum vielversprechenden Kandidat für Mensch-Maschine-Schnittstelle. Um deren Attraktivität als Sensor zu erhöhen wurden im BRIDGE-PoC deren Schichtdicken veringert und innovative Herstellungsverfahren entwickelt um deren Sensitivität und gleichzeitig Flexibilität zu verbessern - zuletzt optimiert für deren Anwendung im Mundraum.
Lay summary

Die derzeit verfügbaren Kraft- und Drucksensoren für medizinische Anwendungen ahmen die natürlichen Fähigkeiten der Haut zur Kraftmessung aufgrund von Steifigkeit und fehlenden biomimetischen elastischen Eigenschaften nicht nach. Geometrische Einschränkungen schränken ihre Anpassung an das jeweilige Medizinprodukt ein. Darüber hinaus führt das Zusammenspiel der elektronischen Eigenschaften oft entweder zu geringer Empfindlichkeit, eingeschränkter Reaktionszeit oder hoher Leistungsaufnahme. 

Das übergeordnete Ziel dieses BRIDGE-Projektes war  die sensorischen Fähigkeiten der DET-Nanostrukturen, das heisst die Transformation von mechanischer in elektrische Arbeit zu verbessern. Bisher waren die Multilagen aus Silikonmembranen einige zehn Mikrometer dick. Die neuen Silikonmembranen im Nanobereich ermöglichen dann einen Betrieb mit herkömmlichen Batterien und eine herausragende Sensititvät über sechs Grössenordnung des Drucks. 

Unsere weltweit einzigartige Polymer-Nano-Technologie ermöglicht ultradünne, flexible und weiche Drucksensoren und dehnbare Elektronik für taktile und neuronale Mensch-Maschine-Schnittstellen. Hergestellt auf weichen Polymersubstraten, können sie direkt auf der Haut oder der Implantatoberfläche befestigt werden, um in Echtzeit mit einer Zeitspanne von Millisekunden verschiedene physiologische Signale und Körperbewegungen des Menschen für die tragbare Gesundheitsversorgung und Patientenrehabilitation zu überwachen. Die hohe Ruhekapazität von Hunderten von pF/cm2 ermöglicht eine vereinfachte Mikroelektronik. Kombiniert mit der Gesamtdicke unter 100µm ergeben sich aus unseren dielektrischen Elastomersensoren (DES) keine geometrischen Einschränkungen für Medizinprodukte/Implantate. Sein niedriger Energieverbrauch unter 1 nW in Kombination mit Selbstheilungskräften ermöglicht langzeitstabile Sensorlösungen. Es ebnet den Weg für zahlreiche medizinische Anwendungen, insbesondere für die Digitalisierung der Interaktion zwischen Patient und medizinischem Personal (HCP) sowohl in Kliniken und Krankenhäusern als auch für die Steigerung der Compliance und des Komforts der Patienten, und zwar weltweit. Diese Plattformtechnologie wurde durch zwei Patente geschützt.

Direct link to Lay Summary Last update: 08.07.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Conducting and stretchable nanometer-thin gold/thiol-functionalized polydimethylsiloxane films
Osmani Bekim, Töpper Tino, Müller Bert (2018), Conducting and stretchable nanometer-thin gold/thiol-functionalized polydimethylsiloxane films, in Journal of Nanophotonics, 12(03), 1-1.
Polydimethylsiloxane films engineered for smart nanostructures
Töpper Tino, Osmani Bekim, Müller Bert (2018), Polydimethylsiloxane films engineered for smart nanostructures, in Microelectronic Engineering, 194, 1-7.
Highly compliant nanometer-thin Au electrodes exploiting the binding to thiol-functionalized polydimethylsiloxane films
Osmani Bekim, Töpper Tino, Müller Bert (2018), Highly compliant nanometer-thin Au electrodes exploiting the binding to thiol-functionalized polydimethylsiloxane films, in Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD) XX, Denver, United StatesSPIE, Washington, U.S..

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Florian Thieringer, 3D print Lab, Universitätsspital Basel Switzerland (Europe)
- Research Infrastructure
EMPA Dübendorf/Dominik Bachmann Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Research Infrastructure
Wayne University Detroit/Dr. Nivedita Dhar United States of America (North America)
- Research Infrastructure
- Industry/business/other use-inspired collaboration

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
Polymers: Design, Function and Applications Talk given at a conference Electrospraying of nanometer-sized droplets for sub-micrometer-thin dielectric elastomer transducers 21.03.2019 Barcelona, Spain Töpper Tino;
EAP-in-action, SPIE Electro-active polymers conference Talk given at a conference Enhancing the capabilities of artificial muscle implants using low-voltage dielectric elastomer sensors 05.03.2018 Denver, United States of America Töpper Tino;
MNE 2017 Talk given at a conference Soft nanometer-thin membranes based on entangled PDMS for tissue-like foldable bioelectronics 18.09.2017 Braga, Portugal Töpper Tino;


Knowledge transfer events

Active participation

Title Type of contribution Date Place Persons involved
Innosuisse Business module 2 Workshop 09.10.2018 Basel, Switzerland Töpper Tino;


Communication with the public

Communication Title Media Place Year

Patents

Title Date Number Inventor Owner
“Neural probe for electrostimulation or recording and fabrication process for such a probe 01.03.2018 PCT/EP2019/055126
Dielectric elastomer transducer and corresponding fabrication process 01.03.2018 PCT/EP2019/055157

Use-inspired outputs


Start-ups

Name Year
Bottmedical AG 2019

Abstract

Dielectric elastomer transducers (DET) exhibit a strain-stress behavior comparable to human tissues. During my PhD thesis I have demonstrated DE actuators based on elastomer layers several hundred nanometers thin generating 6 % strain applying voltages as low as 12 V. However, to build artificial muscles thousands of nanostructures have to be stacked realizing the force comparable to natural muscles. Therefore, this Bridge-application will focus on the sensing capability of DETs. Currently available force and pressure sensors for medical applications fail to mimic the skin’s natural capabilities of force detecting due to rigidity and lack of biomimetic elastic properties. Geometrical restrictions limit their adaption to the given medical device. Moreover, the interplay of the electronic properties often lead either to low sensitivity, restricted response time or high power consumption. Robust and flexible sensors based on dielectric elastomer transducers (DETs) are operated at voltages below 1 V and offer the possibility for static/dynamic pressure sensing. Fabricated on soft polymer substrates they can be directly attached to the skin or implant surface for real-time monitoring with millisecond time response of diverse human physiological signals and body motions for wearable healthcare and patient rehabilitation. The capacitive sensor is based on multi-layered elastomer and metal films. Our unique thin-film technology reliably enables the fabrication of sub-micrometer thin elastomer and electrode films. When external pressures are applied, the induced deformation of the dielectric layer causes a change of capacitance. Sensitivities above 10 kPa-1 are adjusted to the physiological pressures of interest (Pa to MPa) by multilayered specifically tailored nanostructures. The high resting capacitance of hundreds of pF/cm2 enables simplified micro-electronics. Combined with the overall thickness below 100µm our dielectric elastomer sensors (DES) implies no geometrical restrictions to medical devices/implants. It’s low energy consumption below 1 nW combined with self-healing capabilities will enable long-term stable sensing solutions. In addition, sensor pads with spatial resolution of one sensor per mm2 can be cut individually by the customer or even surgeons adapted to the required individual shape of the patients implant.
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