Chaos lässt Quantensensoren exakter arbeiten

Pressemitteilung der Universität Tübingen vom 11.04.2018

Physiker der Universität Tübingen entwickeln eine Methode, die hochempfindliche Sensoren genauer messen lässt

Quantensensoren erfassen Größen wie Temperatur, Magnetfeldstärke oder Beschleunigungen sehr genau. Und sie arbeiten noch exakter, wenn ihre Messdynamik chaotisch wird: Dies zeigen Physiker der Universität Tübingen in einer Studie, in der sie eine Methode entwickelten, mit der sich die Messgenauigkeit hochpräziser Sensoren um weitere 70 Prozent verbessern ließ. Doktorand Lukas Fiderer und Professor Daniel Braun vom Institut für Theoretische Physik nutzten in einer Computersimulation schwache Laserpulse um die Messdynamik eines Magnetfeld-Sensors zu stören. Die Ergebnisse der Studie wurden im Fachmagazin Nature Communications veröffentlicht.

Quantenmetrologie ist ein Teilgebiet der Metrologie, also der Wissenschaft des Messens. Sie unterscheidet sich von herkömmlichen Messmethoden, weil hier quantenmechanische Systeme wie beispielsweise Atome oder Photonen als Sensoren eingesetzt werden, die nur mit den Gesetzen der Quantenmechanik beschrieben werden können. Herkömmliche klassische Sensoren folgen einer regulären, vorhersehbaren Messdynamik. Sie sind so konstruiert, dass Chaos ‒ so bezeichnet die theoretische Physik Dynamiken, in denen Störungen exponentiell stark anwachsen ‒ vermieden wird, da sonst die Messung von Parametern unvorhersehbar oder gar unmöglich wird. Quantenmechanische Sensoren folgen aber anderen Gesetzen: Das sogenannte Quantenchaos muss hier keineswegs mit Unvorhersehbarkeit einhergehen.

Die Wissenschaftler berechneten deshalb, wie sich die Messgenauigkeit ändert, wenn sich der Quantensensor nicht regulär verhält, sondern „zunehmend chaotisch“. Dafür beschrieben sie mit Formeln ein physikalisches Modell und simulierten dann einen Quantensensor, das sogenannte Atomdampf-Magnetometer, und dessen Messdynamik im Computer. Diese bereits sehr genauen Magnetfeld-Sensoren enthalten in einer Glaszelle einen Dampf aus Alkali-Atomen. Befindet sich die Zelle in einem Magnetfeld, drehen sich die Atome wie kleine Kompassnadeln. Indem man mit einem Laser die Richtung der Drehung ausmisst, wird das Magnetfeld gemessen. „In der Simulation haben wir die Atome während des Messvorgangs mit schwachen Laserpulsen beschossen, damit die Messdynamik chaotisch wird“, erklärt Lukas Fiderer, der diese Forschung im Rahmen seiner Masterarbeit begann und nun dazu promoviert.

Als Ergebnis habe man eine Verbesserung der Messgenauigkeit um 70 Prozent berechnen können. Ein entscheidender Vorteil sei, dass die chaotische Dynamik so eingestellt werden könne, dass der Sensor robuster gegenüber störenden Wechselwirkungen mit der Umgebung sei. Die Wissenschaftler haben den neuen Magnetfeldsensor bereits als Patent angemeldet. „Wir hoffen, dass unser Modell bald experimentell realisiert wird und gehen davon aus, dass die Methode Anwendung in verschiedenen Quantensensoren findet. So könnte sie ein Baustein auf dem Weg zu genaueren und robusteren Sensoren sein.“

Publikation:
Lukas J. Fiderer, Daniel Braun: Quantum metrology with quantum-chaotic sensors. Nature Communications 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-03623-z

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Biosensoren aus Graphen einfach ausdrucken

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.03.2018

Zellbasierte Biosensoren können die Wirkung verschiedener Stoffe, wie beispielsweise Medikamente, auf den menschlichen Körper im Labor nachbilden. Je nach Messprinzip kann ihre Herstellung jedoch teuer sein. Oft wird daher auf ihren Einsatz verzichtet. Kostenfaktoren bei elektrisch messenden Sensoren sind das teure Elektrodenmaterial und eine aufwändige Fertigung. Fraunhofer-Wissenschaftler stellen Biosensoren mit Graphen-Elektroden günstig und einfach im Rolle-zu-Rolle-Druck her. Ein Anlagen-Prototyp für die Massenproduktion existiert bereits.

Zellbasierte Biosensoren messen Veränderungen in Zellkulturen über elektrische Signale. Das geschieht mittels Elektroden, die innerhalb der Petrischale oder den Näpfchen einer sogenannten Wellplatte angebracht sind. Zerstören beispielsweise hinzugegebene Viren eine durchgängige Zellschicht auf den Elektroden, verringert sich der zwischen den Elektroden gemessene elektrische Widerstand. Auf diese Weise lässt sich z. B. die Wirkung von Impfstoffen oder Medikamenten testen: Je effektiver der Wirkstoff ist, desto weniger Zellen werden von den Viren zerstört und desto geringer ist die gemessene Widerstandsänderung. Auch Toxizitätstests, z. B. an Kosmetikprodukten, können nach dem gleichen Prinzip ablaufen und in Zukunft möglicherweise Tierversuche ersetzen. Ein weiterer Vorteil: Verknüpft man Biosensoren mit einer Auswerteeinheit, können Messungen kontinuierlich und automatisiert ablaufen.

Leitfähig, biokompatibel, druckbar

Doch die Herstellung der beschriebenen Biosensoren ist teuer und aufwändig: Die Elektroden bestehen aus einem bioverträglichen und elektrisch leitfähigen Material wie beispielsweise Gold oder Platin. Für die Mikroelektrodenherstellung ist ein komplizierter lithografischer Prozess notwendig. Die Folge: Die Labore kaufen diese Biosensoren wegen der hohen Kosten oftmals erst gar nicht ein, die Untersuchung der Zellkulturen erfolgt weiter händisch unter dem Mikroskop. Alternativ zu Edelmetallen kann mittlerweile aber Graphen als Werkstoff für die Elektroden verwendet werden. Die Vorteile des aus Kohlenstoffen bestehenden Materials: Es ist elektrisch leitfähig, biokompatibel und lässt sich, sofern es in Form einer Tinte vorliegt, auf Oberflächen drucken.

Eine solche Graphen-Tinte haben sich Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik IBMT aus St. Ingbert im Saarland zu Nutze gemacht. Gemeinsam mit Industriepartnern haben sie in dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF geförderten M-era.Net-Projekt BIOGRAPHY einen Druckprozess entwickelt, der es ermöglicht, Biosensoren aus Graphen in großer Stückzahl im kostengünstigen Rolle-zu-Rolle-Verfahren herzustellen. »Unser Anlagen-Prototyp kann ca. 400 Biosensoren pro Minute auf eine Endlosfolie drucken«, beschreibt Dr. Thomas Velten, Abteilungsleiter Biomedizinische Mikrosysteme am IBMT und Projektleiter BIOGRAPHY, das Ergebnis der Entwicklungsarbeiten. Während Druckanlage und Graphen-Tinte von Partnern stammen, haben sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am IBMT um die Gestaltung des Druckprozesses gekümmert. »Insbesondere ist es entscheidend, Parameter wie Tintenviskosität, Druckgeschwindigkeit, Rakelanpressdruck – ein Rakel streift überschüssige Tinte ab – und Näpfchentiefe des Druckzylinders so aufeinander abzustimmen, dass die gedruckten Strukturen den Sollmaßen entsprechen«, erklärt Velten. Ein interdisziplinäres Team aus Biologen und Technikern des IBMT entwickelte zudem eine Proteintinte, die nach dem Graphen direkt auf die Elektroden gedruckt wird. Velten: »Erst durch die Proteine haften die Zellen ausreichend gut auf der Elektrodenfolie.« Ein komplizierter Vorgang: Die Oberflächenenergien von Folie und Tinte sind so aufeinander abzustimmen, dass der Transfer der Tinte vom Druckzylinder zur Folie optimal erfolgt. Besonders kritisch ist das Trocknen der gedruckten Strukturen, da die Proteine weder Lösemittel noch hohe Temperaturen vertragen. Nur der richtige Mix aus Tinteninhaltsstoffen und Trocknungsmethode gewährleistet, dass die Tinte ausreichend schnell trocknet.

Nach dem erfolgreichen Bau des Prototyps stehen jetzt die Praxistests der gedruckten Biosensoren an. Projektleiter Velten: »Wir gehen davon aus, der Industrie spätestens in einem Jahr eine universelle Technologieplattform anbieten zu können.«

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Mit Kugeln optimal messen

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.12.2017

Bioreaktoren sind die Kochtöpfe der Biochemiker und Biotechnologen, in denen Arzneiwirkstoffe, Enzyme oder Fadenwürmer zur biologischen Schädlingsbekämpfung hergestellt werden. Man nehme eine Nährlösung, gegebenenfalls Wärme, Sauerstoff, Säure oder Lauge zur Regulierung des pH-Wertes und es entsteht das gewünschte Produkt. Je optimaler die Bedingungen, desto größer der Ertrag. Fraunhofer Forscher haben jetzt Messsonden in Kugelform entwickelt, mit denen sich der Herstellungsprozess besser überwachen und effizienter gestalten lässt.

Die richtige Temperatur entscheidet darüber, wie gut sich Mikroorganismen oder Zellen in einem Bioreaktor kultivieren lassen. Obwohl sich die Wärme im Reaktor unterschiedlich verteilt, ist die Temperatur bisher nur punktuell mit Stabsonden messbar, die durch vordefinierte Löcher gesteckt werden. »Mit unseren mobilen, etwa erbsengroßen Sensorkugeln können wir die Temperatur an vielen Orten gleichzeitig erfassen. Dadurch ist es möglich, die Wärmezufuhr exakt so zu regulieren, dass sie für den Herstellungsprozess optimal ist«, sagt Tobias Lüke, der die neuen Sens-o-Spheres-Messkugeln am Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS in Kooperation mit Wissenschaftlern der Technischen Universität Dresden und Projektpartnern aus der Industrie entwickelt hat. »Bei einem Liter sind die Temperaturunterschiede innerhalb eines Reaktors noch nicht so groß. Bei mehreren tausend Litern wächst der Fehler jedoch erheblich. Mit unserer präzisen Messtechnik gibt es weniger Probleme beim Upscaling der Volumina, also der Umstellung von kleinen Test-Reaktoren im Labor auf große in der Produktionshalle.«

Keine Beschränkungen

Ein weiterer Vorteil der Sens-o-Spheres: Während Stabsonden durch Kabel gebunden sind, sind die Kugeln mit einer aufladbaren Batterie ausgestattet. »Der Installationsaufwand ist daher gering. Die Sens-o-Spheres schwimmen einfach im Medium, so stören sie beispielsweise auch nicht beim Umrühren. Außerdem können sie sowohl problemlos in kilometerlangen Röhrenreaktoren und anderen innovativen Reaktortypen als auch in klassischen Kleinkultivierungsgefäßen wie dem Schüttelkolben eingesetzt werden. Gängige Messsysteme stoßen hier an ihre Grenzen«, erklärt Lüke.

Die erfassten Daten werden per Funk live an eine Basisstation übertragen. Dabei ist jeder Messwert einer bestimmten Kugel zugeordnet, denn jede verfügt über eine eigene ID. Je mehr Kugeln, desto höher die Messgenauigkeit. Eine Faustformel dafür, wie viele Kugeln notwendig sind, gebe es jedoch nicht. Es gelte: So viele Kugeln wie nötig, so wenige wie möglich.

Problemlos wiederverwertbar

Nach ihrem Einsatz können die Kugeln problemlos im sogenannten Autoklaven sterilisiert werden, denn die Elektronik ist robust und zudem sicher von einer Kapsel aus Polypropylen umschlossen – weder Feuchtigkeit noch hohe Temperaturen von rund 120 Grad Celsius und mehr, wie sie beim Autoklavieren üblich sind, können ihr etwas anhaben. Die Kugeln können daher steril gehalten, mit Hilfe eines speziell entwickelten induktiven Batterieladesystems aufgeladen und wiederverwendet werden.

Bald sollen die Messkugeln nicht nur die Temperatur, sondern auch den Sauerstoffgehalt und den pH-Wert erfassen können. »Außerdem wollen wir die Basisstation mit dem Gesamtsystem verbinden. Dann könnte der Herstellungsprozess aufgrund der gemessenen Werte automatisch geregelt werden. Die Kugeln sollen zudem geortet werden können, so dass man genau weiß, wo der Messwert erfasst wurde.«

Die Messkugeln sind nicht nur für die mikrobiologische Kultur- und Prozessentwicklung im Labor ideal, sondern könnten auch in der Arzneimittelherstellung, der Umweltmesstechnik oder beim Screening in der Medizin zum Einsatz kommen.

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Kabeleigenschaften schnell und einfach bestimmen

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.11.2017

Die Menge an benötigten Kabeln im Auto unterzubringen, ist alles andere als einfach. Simulationen können dabei helfen, allerdings müssen zuvor die Eigenschaften der einzelnen Kabel genau bestimmt werden. Mit der automatisierten Anlage MeSOMICS haben Autobauer die Möglichkeit, diese Parameter nun erstmals schnell und einfach selbst zu ermitteln – und so Zeit und Geld zu sparen.

Im Auto herrscht ein ziemliches Kabelgewirr: Bis zu drei Kilometer Kabel sind dort verbaut. Sie versorgen Motoren, Sensoren, Bordcomputer, Einparkhilfen, Lampen und Co. Diese große Anzahl an Kabeln unterzubringen, ist keine einfache Angelegenheit: Sie dürfen sich weder verheddern noch über scharfe Kanten rutschen, an denen sie aufgescheuert werden – schließlich könnte dies einzelne Komponenten ausfallen lassen, eventuell die Sicherheit der Insassen beeinträchtigen und zu teuren und imageschädigenden Rückrufaktionen der Fahrzeuge führen.

Viele Automobilhersteller setzen daher auf die vom Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM und vom Fraunhofer-Chalmers Research Center FCC entwickelte Software IPS Cable Simulation. Mit ihr können sie in Echtzeit simulieren, wie Kabel im Fahrzeug am besten verlegt werden. Doch auch die beste Simulation kann nur dann zu brauchbaren Ergebnissen kommen, wenn als Basis für die Berechnung die realistischen physikalischen Parameter eingegeben werden. Bei Kabeln sind solche Parameter die Biege-, Torsions- und Zugsteifigkeit. Bislang war es sehr zeitaufwändig, solche Werte zu bestimmen. Die Kabelproben mussten an ein Labor versandt werden, wo sie dann auf unterschiedlichen Prüfmaschinen vermessen wurden. Die anschließende Ermittlung der benötigten Steifigkeitsparameter aus den Messdaten erfordert zusätzliches Expertenwissen und ist insgesamt ein sehr zeitaufwändiger Prozess.

Datensätze liegen in nur drei Stunden vor

Nun halten die Kunden die gewünschten Datensätze innerhalb von drei Stunden in den Händen. Möglich macht es die hochautomatisierte Messmaschine MeSOMICS, kurz für »Measurement System for the Optically Monitored Identification of Cable Stiffnesses«, die Forscher am Fraunhofer ITWM entwickelt haben. »Mit unserer Anlage können die Kunden ihre Kabel direkt in ihrem Unternehmen vermessen – das spart nicht nur viel Zeit, sondern auch Kosten«, sagt Dr.-Ing. Michael Kleer, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut in Kaiserslautern. Die Messung läuft automatisch, auch nicht speziell dafür ausgebildete Mitarbeiter können sie daher übernehmen. Sie müssen das Kabel lediglich in die Maschine einspannen und die Messung starten. Im Inneren der Maschine wird das Kabel in einem speziellen Messzyklus deformiert und es werden die Kräfte und Momente gemessen, die dazu nötig sind. »Der Mess- und Auswerteprozess ist komplett in MeSOMICS verlagert, die Maschine ist somit extrem leicht zu bedienen«, verdeutlicht Kleer. Als Ergebnis erhält der Mitarbeiter zum einen Fotos des gebogenen Kabels mit überlagert dargestelltem theoretischen Verlauf der Biegelinie für den ermittelten Steifigkeitswert. Er sieht also auf den ersten Blick, ob die Parameter mit der Realität übereinstimmen. Zum anderen bekommt er die Steifigkeiten als Datensatz, den er direkt in die Simulation einlesen kann.

Verbesserung der bisherigen Messmethode

Eine weitere Besonderheit: Die Maschine bildet die reale Einbaukrümmung ab. Sie biegt das Kabel also so weit durch, wie es später auch im Fahrzeug durchgebogen würde. Bislang war dies nicht der Fall: Beim generell üblichen 3-Punkt-Biegeversuch wird das Werkstück auf zwei Auflagen gelegt und in der Mitte von einem Prüfstempel ein kleines Stück weit herunter gedrückt. Sinnvoll ist dieser Ansatz allerdings nur für sehr steife Bauteile – für Kabel also weniger. »Wir haben den Versuchsaufbau daher so umgewandelt, dass er wesentlich größere Durchbiegungen zulässt und dadurch Kabel und Schläuche in einem sehr realitätsnahen Verformungszustand vermisst«, erläutert Kleer.

Die MeSOMICS-Anlage ist bereits serienmäßig verfügbar – als skalierbare Lösung, die an die Erfordernisse des Kunden angepasst wird. In den nächsten Jahren wollen die Forscher die Technologie noch weiter entwickeln. So arbeiten sie unter anderem daran, die Messmaschine mit einer Klimakammer auszustatten, um verschiedene Temperaturen und Luftfeuchten einzustellen und diese in die Messung sowie die Simulation einfließen zu lassen.

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Forschungsprojekt für mehr Patientensicherheit: Neue Testmethoden für die Eignung von Implantaten für MRT-Untersuchungen entwickelt

Pressemeldung der OTH Amberg-Weiden vom 11.10.2017

Mit Herzschrittmacher oder Hüftimplantaten ins MRT (Magnet-Resonanz-Tomografie)? Viele Implantate sind für eine MRT-Untersuchung geeignet, aber nicht jedes. Häufig darf aus Sicherheitsgründen keine MRT-Untersuchung durchgeführt werden, denn die starken Magnetfelder können die Elektronik der Geräte ernsthaft beeinträchtigen oder im schlimmsten Fall den Patienten durch die Kraftwirkung, die auf das Implantat wirkt, verletzen. Für die Prüfung, ob ein Implantat für MRT-Untersuchungen geeignet ist, und damit eine sichere Untersuchung bei Implantat-Trägern gewährleistet werden kann, hat die OTH Amberg-Weiden im Rahmen eines Forschungsprojekts neue Testmethoden entwickelt. Dabei handelt es sich um ein automatisiertes Prüfverfahren, das Implantate automatisch auf ihre MRT-Eignung testet.

Die Forschungsarbeiten für das Projekt „Testmethodenentwicklung für aktive, implantierbare Medizinprodukte zum Ausschluss von Fehlfunktionen im Rahmen der MRT“ begann unter der Projektleitung von Prof. Dr. Ralf Ringler (Studiengang Medizintechnik an der OTH Amberg-Weiden) vor zwei Jahren. Gemeinsam mit dem Gelsenkirchener Unternehmen MR:comp, ein weltweit agierendes Unternehmen, das sich als Prüflabor einen Namen im Testen von Implantaten erworben hat, wurden Testmethoden entwickelt, die Fehlfunktionen von Implantaten durch induzierte Kräfte, Drehmomente und Vibrationen durch statische oder zeitlich veränderliche Magnetfelder erkennen.

Das Ergebnis der zweijährigen Forschungs- und Entwicklungsarbeit: Die ersten Prototypen zur automatisierten Messung von Drehmoment und Kraft im starken Magnetfeld eines MRTs wurden erfolgreich entwickelt, getestet und optimiert. Dabei wurden die im CAD-Programm geplanten und konstruierten, mechanischen Aufbauten in der hochschuleigenen Werkstatt am Standort Amberg in die Realität umgesetzt. Parallel zur Fertigung befasste sich das Entwicklungsteam in Weiden und Gelsenkirchen mit der einzusetzenden Sensorik, sowie mit der Fragestellung der Automatisierung der Messung. Eine essentielle Anforderung bei der Entwicklung und Umsetzung der automatisierten Teststände bestand darin, das Verfahren für die Anwender und somit für die späteren Prüfingenieure zu vereinfachen und die Tests stets unter gleichen Bedingungen wiederholen zu können. Auch eine entsprechende Software wurde entwickelt. So können in Testszenarien Funktionalität und Fehlerquellen nachgewiesen, Verbesserungen erarbeitet und neue Lösungen integriert werden.

„Unsere Arbeit gewinnt vor allem vor dem Hintergrund des demografischen Wandels an Bedeutung“, sagt Projektleiter Prof. Dr. Ralf Ringler. „Die steigende Lebenserwartung führt dazu, dass immer mehr Menschen auf Implantate angewiesen sind. Gleichzeitig benötigen gerade diese Patienten nicht selten auch MRT-Untersuchungen für eine vollständige Diagnose. Mit der Entwicklung der Testmethoden leisten wir einen wichtigen Beitrag zur sicheren Untersuchung von Implantat-Trägern!“ Denn „mit den neuen Testverfahren wurde die Messgenauigkeit erhöht und die Messzeit der Prüfung deutlich reduziert. Das bedeutet, eine Prüfung eines Implantats kann mit der von uns entwickelten Testmethoden schneller, günstiger und genauer durchgeführt werden“, so Projektingenieurin M.Sc. Karina Schuller. „Wir als Prüflabor können Herstellern von Implantaten eine höhere Sicherheit geben, dass ihr Implantat für eine MRT-Untersuchung geeignet ist“, ergänzt Dr. Jörg Seehafer, MR safety Consultant bei MR:comp GmbH.

Das Forschungsvorhaben „Testmethodenentwicklung für aktive, implantierbare Medizinprodukte zum Ausschluss von Fehlfunktionen im Rahmen der Magnet-Resonanz-Tomografie (MRT)“ wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert und im Rahmen des Programms „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)“ (Projektform: Kooperationsprojekte) durchgeführt.

Externer Link: www.oth-aw.de