Das Ende der Batteriesorgen bei tragbaren Sensoren

Das Ende der Batteriesorgen bei tragbaren Sensoren

Sie kennen diesen kurzen Moment der Panik, wenn der Fitnesstracker genau dann den Geist aufgibt, wenn Sie mit dem Training beginnen. Plötzlich ist das Gerät, das eigentlich Ihre Herzfrequenz, den Kalorienverbrauch und die Trainingsintensität überwachen soll, ein nutzloses Stück Plastik an Ihrem Handgelenk. Die frustrierende Suche nach Ladekabeln, der Umstand, dass Geräte ständig an Steckdosen aufgeladen werden müssen, und das schlechte Gewissen wegen Einwegbatterien plagen die Branche für tragbare Technologien seit Langem. Forschende in Japan haben eine Technologie entwickelt, die diese Ärgernisse überflüssig machen könnte. Ein Team der Tokyo University of Science hat ein dünnes, auf der Haut getragenes Pflaster entwickelt, das direkt aus menschlichem Schweiß Strom erzeugt. Wiederaufladbare Batterien oder Ladekabel werden damit vollständig überflüssig.

Im Zentrum des Durchbruchs steht eine Enzymtinte auf Wasserbasis, mit der sich vollständige Bio-Brennstoffzellen in einem einzigen Schritt per Siebdruck auf Papier aufbringen lassen. Die am 6. Februar 2026 online in ACS Applied Engineering Materials veröffentlichte Studie weist eine maximale Leistungsdichte von etwa 165 Mikrowatt pro Quadratzentimeter (rund 1.065 Mikrowatt pro Quadratzoll) bei 0,63 Volt nach. Diese Leistung reicht aus, um Biosensoren mit geringem Energiebedarf und drahtlose Datenübertragung zu versorgen. Das könnte die Gesundheitsüberwachung beim Sport, in der klinischen Versorgung und im Alltag grundlegend verändern. Die Innovation bedeutet einen grundlegenden Wandel: Statt Energie zu speichern, wird sie gewonnen, wobei die körpereigene Chemie als Energiequelle dient.

Associate Professor Isao Shitanda, der das Forschungsteam am Institut für reine und angewandte Chemie leitete, erklärt, Ziel sei es gewesen, Fertigungshürden zu überwinden, die ähnliche Technologien jahrelang in Laboren festgehalten hätten. Mit einer Tinte, die sich in einem einzigen Durchgang gleichmäßig aufdrucken lässt, hat das Team einen praktikablen Weg zur Massenproduktion batterieloser Biosensoren zum Tragen auf der Haut eröffnet. Die Entwicklung kommt zu einem Zeitpunkt, an dem der weltweite Markt für tragbare Medizinprodukte einen Wert von 195 Milliarden US-Dollar erreicht. Der Verzicht auf Batterien zählt dabei zu den dringendsten technischen Herausforderungen der Branche.

Körperchemie in Strom verwandeln

Die Geräte heißen enzymatische Bio-Brennstoffzellen, kurz EBFCs. Sie erzeugen Strom, indem biologische Enzyme chemische Reaktionen in Körperflüssigkeiten antreiben. In dieser Studie dient Laktat als Hauptenergieträger. Es ist ein Stoffwechselnebenprodukt, das im Schweiß vorkommt. Beim Sport produzieren die Muskeln Laktat, während sie Glukose zur Energiegewinnung verbrauchen. Ein Teil dieser Verbindung wird über den Schweiß ausgeschieden. Die japanischen Forschenden haben ihr System so ausgelegt, dass es Laktatkonzentrationen von etwa 1 bis 25 Millimol pro Liter erfasst. Dieser Bereich entspricht den Bedingungen beim Sport, von leichter Aktivität bis zu intensiver körperlicher Anstrengung.

Der elektrochemische Prozess ist elegant einfach. An einer Elektrode helfen Enzyme dabei, Elektronen aus den Laktatmolekülen zu lösen. Diese Elektronen fließen anschließend durch einen äußeren Stromkreis und erzeugen so elektrischen Strom. An der gegenüberliegenden Elektrode nimmt Sauerstoff aus der Umgebungsluft die Elektronen auf und schließt die Reaktion ab. Dieser kontinuierliche Elektronenfluss liefert nutzbare Energie für Messungen und Datenübertragung, ohne dass gespeicherte Ladung oder eine externe Stromquelle nötig ist. Da das Gerät auf Stoffen beruht, die der Körper auf natürliche Weise produziert, entsteht Strom passiv bei alltäglichen Aktivitäten wie Gehen, Sport oder Routineaufgaben.

Frühere Studien derselben Forschungsgruppe haben bereits gezeigt, dass sich mit dieser Leistung Bluetooth-Low-Energy-Systeme betreiben lassen. Das Gerät kann damit Laktatwerte im Schweiß drahtlos übertragen, ganz ohne Batterie. So entsteht ein selbstversorgender Überwachungskreislauf: Je stärker Sie sich anstrengen, desto mehr Schweiß produzieren Sie und desto mehr Energie steht folglich zur Übertragung von Daten über Ihren körperlichen Zustand bereit. Für die Gesundheitsüberwachung am Körper ist dieser Zusammenhang besonders wertvoll. Der Sensor liefert genau dann bessere Leistung, wenn Ihr Körper am dringendsten überwacht werden muss.

Die Produktionshürde überwinden

Enzymatische Bio-Brennstoffzellen haben sich in Laboren seit Jahren als vielversprechend erwiesen. Schwierigkeiten bei der Herstellung haben jedoch eine breite Anwendung verhindert. Herkömmliche Fertigungsmethoden umfassen mehrere arbeitsintensive Schritte. Zunächst müssen Hersteller eine Kohlenstoff-Elektrodenschicht aufdrucken, anschließend Enzym- und Mediatorlösungen separat auf die Oberfläche tropfen und schließlich warten, bis die ungleichmäßigen Schichten getrocknet sind. Dieses mehrstufige Verfahren führt zu erheblichen Abweichungen zwischen den Geräten. Das erschwert die Qualitätskontrolle und macht eine Massenproduktion unpraktisch. Schon kleine Unterschiede bei der aufgetragenen Flüssigkeitsmenge oder der Trocknungszeit können die Leistung und Messwerte von Pflaster zu Pflaster verändern.

Um diese Herausforderung zu bewältigen, entwickelten Associate Professor Isao Shitanda und sein Team gemeinsam mit Mahiro Omori von der Tokyo University of Science und Mitsuru Hanasaki von der RESONAC Co. Ltd eine Rezeptur, die diese empfindlichen Arbeitsschritte in einer einzigen druckbaren Schicht zusammenfasst. Die Innovation besteht darin, die aktiven chemischen Bestandteile direkt in eine druckbare Tinte einzumischen. So lassen sich beide Elektroden in einem Durchgang durch ein Sieb auf einen dünnen Papierträger aufbringen.

Um arbeitsintensive, ineffiziente und teure Fertigungsmethoden für EBFCs zu vermeiden, müssen wir eine Enzymtinte auf den Markt bringen, die sich gleichmäßig aufdrucken lässt und für die Massenproduktion geeignet ist.

Der Siebdruck ist in der industriellen Fertigung bereits weit verbreitet. Die Technologie könnte daher nahtlos in bestehende Produktionslinien integriert werden. Die Rezeptur auf Wasserbasis kommt ohne organische Lösungsmittel aus, die empfindliche Enzymstrukturen schädigen könnten. So bleibt die Aktivität der biologischen Bestandteile auch nach dem Druck erhalten. Durch die Zusammenfassung der Arbeitsschritte sinken die Unterschiede zwischen den Geräten. Damit stellt sich als Nächstes die Aufgabe, aus Laborprodukten langlebige Sensoren zum Tragen am Körper zu machen, die sich auch in Fabriken fertigen lassen.

Die optimale Tinte entwickeln

Die Entwicklung einer stabilen, druckbaren Enzymtinte erforderte eine sorgfältige Abstimmung mehrerer Bestandteile. Das Forschungsteam kombinierte mesoporösen Kohlenstoff, dessen Poren mithilfe von Magnesiumoxid erzeugt wurden und der eine extrem große Oberfläche aufweist, mit chemischen Mediatoren, die den Elektronentransfer erleichtern. Hinzu kam ein neuartiges Bindemittel auf Wasserbasis namens POLYSOL. Diese Polymeremulsion haftet stark an Kohlenstoffoberflächen und sorgt zugleich innerhalb der porösen Struktur für ein stabiles Umfeld für die Enzyme. Carboxymethylcellulose diente als Verdickungsmittel, um die richtige Konsistenz für den Siebdruck zu erreichen.

Besonders wichtig ist der Zusatz von Carboxymethylcellulose. Eine verwandte, in Nature veröffentlichte Studie hat gezeigt, dass dieser Zusatzstoff die Dispergierbarkeit von Tinten aus mesoporösem Kohlenstoff verbessert und die Zugänglichkeit der inneren Poren des Materials erhöht. In früheren Studien verdoppelte der Zusatz von CMC zu ähnlichen Kohlenstoffmischungen die maximale Stromdichte mehr als und steigerte die Leistungsdichte im Vergleich zu Elektroden ohne diesen Zusatzstoff um mehr als das 2,5-Fache.

Die größte Herausforderung bei der Herstellung von Bio-Brennstoffzellen war womöglich schon immer die Kathode, also die Elektrode, an der Sauerstoff genutzt wird und die Elektronen ihren Stromkreis schließen. Enzyme, die mit Sauerstoff umgehen, sind besonders empfindlich und mit herkömmlichen Fertigungsmethoden schwer zu stabilisieren. Indem das japanische Team Bilirubinoxidase direkt in dieselbe druckbare Tintenmischung einarbeitete wie die übrigen Bestandteile der Zelle, konnte es die Kathode in einem einzigen Durchgang stabil und leistungsfähig herstellen. Damit gelang erstmals der Siebdruck einer voll funktionsfähigen Kathodenseite mit Enzymtinte. Der letzte große Engpass für die skalierbare Herstellung von Bio-Brennstoffzellen ist damit beseitigt.

Leistung unter Alltagsbedingungen

Elektrochemische Tests zeigten, dass die gedruckten Elektroden herkömmlichen, im Tropfverfahren hergestellten Alternativen deutlich überlegen waren. Die vollständige Laktat-Sauerstoff-Bio-Brennstoffzelle erreichte eine maximale Leistungsdichte von 165 Mikrowatt pro Quadratzentimeter bei einer Betriebsspannung von 0,63 Volt. Damit liegt sie deutlich über einem zuvor für ähnliche Systeme gemeldeten Wert von 96 Mikrowatt pro Quadratzentimeter. Das ist ein großer Fortschritt bei der Energiegewinnung für tragbare Anwendungen.

Auch die Zuverlässigkeitstests lieferten beeindruckende Ergebnisse. Bei im Tropfverfahren hergestellten Elektroden sinkt die Aktivität üblicherweise innerhalb von Minuten bis Stunden auf weniger als die Hälfte des Ausgangswerts. Ursache sind die ungleichmäßige Verteilung der Enzyme und die schlechte Haftung auf dem Trägermaterial. Die Enzymtinten-Elektroden zeigten bei längeren Tests kaum Leistungsabfall und behielten eine stabile Leistung bei, die für den praktischen Einsatz am Körper entscheidend ist.

Das System arbeitet zuverlässig im physiologischen Bereich der Laktatkonzentrationen, die bei gesunden Menschen während des Sports auftreten: etwa 1 bis 25 Millimol pro Liter. Diese Übereinstimmung mit der natürlichen Schweißzusammensetzung ist entscheidend für den praktischen Einsatz im Alltag. Das Team demonstrierte außerdem die Skalierbarkeit mit einem Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren, bei dem rund 400 Meter Trägermaterial kontinuierlich bedruckt wurden. Damit zeigte es, dass sich das Herstellungsverfahren auch im industriellen Maßstab einsetzen lässt. Lagerungstests bei 5 Grad Celsius unter Vakuum ergaben, dass die Enzymaktivität unter diesen Bedingungen am besten erhalten blieb. Das weist auf praktikable Versandmöglichkeiten für kommerzielle Produkte hin.

Anwendungen in Sport und Gesundheitswesen

Selbstversorgende Schweißsensoren könnten in vielen Bereichen zum Einsatz kommen. In der Sportwissenschaft würde die Laktatmessung in Echtzeit sofort Rückmeldung zur Trainingsintensität und Muskelermüdung geben, ohne dass Sportlerinnen und Sportler für eine Blutabnahme anhalten müssten. Trainer könnten Ermüdungsschwellen überwachen, Athletinnen und Athleten ihr Tempo optimieren und sich Trainingsbelastungen anhand aktueller biochemischer Daten statt anhand von Schätzungen anpassen lassen. Der Zusammenhang zwischen Laktat im Schweiß und im Blut ist weiterhin komplex. Für die Leistungskontrolle ist die Korrelation jedoch stark genug, um schon heute verwertbare Erkenntnisse zu liefern.

Im Gesundheitswesen könnte die kontinuierliche Stoffwechselüberwachung helfen, Gesundheitsprobleme frühzeitig zu erkennen. In Pflegeheimen und Einrichtungen für ältere Menschen können Patientinnen und Patienten Symptome nicht immer klar mitteilen. Flüssigkeitsmangel, Hitzebelastung und beginnende Infektionen verändern die Schweißzusammensetzung auf messbare Weise. Ein kontinuierlich messendes, selbstversorgendes Pflaster auf der Haut könnte solche Veränderungen Stunden früher anzeigen, als es herkömmliche regelmäßige Kontrollen tun würden. Für das Klinikpersonal bedeutet diese Frühwarnfunktion ein schnelleres Eingreifen, weniger Notfälle und bessere Behandlungsergebnisse. Für Patientinnen und Patienten beseitigt ein hauchdünnes Pflaster, das einfach auf der Haut klebt, jedes Hindernis für die regelmäßige Anwendung.

Ähnliche Sensoren könnten zur Vorbeugung von Hitzschlag beitragen, indem sie frühe Stoffwechselwarnzeichen erkennen, wenn heißes Wetter einfache Tätigkeiten zu riskanten Herausforderungen macht. Bei der Genesung nach Operationen und der Behandlung chronischer Erkrankungen lässt sich dasselbe unkomplizierte Überwachungsmodell einsetzen. Es ermöglicht eine kontinuierliche Datenerfassung, die mit batteriebetriebenen Geräten bisher nur schwer aufrechtzuerhalten war.

Auswirkungen auf Umwelt und Wirtschaft

Ein einzelnes tragbares Gerät wirkt klein, doch die Umweltbelastung in ihrer Gesamtheit ist erheblich. Weltweit fielen 2022 rund 68,3 Millionen Tonnen Elektroschrott an. Nur etwa 22 Prozent davon wurden nachweislich ordnungsgemäß gesammelt und recycelt. Batterielose Pflaster werden die Elektroschrottkrise nicht allein lösen, insbesondere wenn sie für den einmaligen Gebrauch bestimmt sind. Sie könnten jedoch den Bedarf an Miniaturbatterien senken und den Geräteaufbau deutlich vereinfachen.

Der Verzicht auf die Knopfzelle, die das Design tragbarer Sensoren jahrzehntelang geprägt hat, verringert gleichzeitig Größe, Kosten und Umweltbelastung. Für medizinische Einwegpflaster, bei denen derzeit Batterien ausgetauscht oder Geräte mit giftigen Bestandteilen entsorgt werden müssen, bietet die Technologie eine umweltfreundlichere Alternative: Sie nutzt ausschließlich Stoffe, die der Körper ohnehin produziert.

Auch aus wirtschaftlicher Sicht verspricht die Technologie deutliche Kostensenkungen. Wenn sich das gesamte Gerät im Vollsiebdruckverfahren herstellen lässt, könnten die Produktionskosten auf etwa 10 Yen pro Gerät sinken. Damit würden Einwegprodukte und Anwendungen im großen Maßstab wirtschaftlich rentabel. Die Technologie könnte so den weltweiten Markt für tragbare Medizinprodukte aufmischen, der Prognosen von Analysten zufolge bis 2030 ein Volumen von mehr als 195 Milliarden US-Dollar erreichen wird.

Hürden auf dem Weg zur Marktreife

Trotz der vielversprechenden Ergebnisse sind weitere Arbeiten nötig, bevor schweißbetriebene Bio-Brennstoffzellen in kommerziellen Geräten breit eingesetzt werden können. Der Papierträger muss sich unter Schweiß, beim Biegen und bei täglichen Bewegungen bewähren, ohne an Leistung einzubüßen. Enzyme können durch Temperaturschwankungen, Sauerstoffkontakt und Umwelteinflüsse während des Tragens nach und nach an Wirksamkeit verlieren. Das Team geht davon aus, dass ein praktischer Einsatz nach weiterer Optimierung, Langzeitvalidierung und Integration in tragbare Systeme möglicherweise um 2030 näher rückt.

Der Nutzen im Alltag hängt davon ab, dass die Pflaster angenehm zu tragen sind, stabile Messwerte liefern und medizinischem Fachpersonal sowie Nutzerinnen und Nutzern bei unterschiedlichen Körpertypen und Aktivitätsniveaus eindeutige Signale geben. Die Demonstration des Rolle-zu-Rolle-Verfahrens belegte zwar die Skalierbarkeit der Herstellung, doch der Übergang von Laborbedingungen zu Verbraucherprodukten erfordert gründliche Haltbarkeitstests und eine klinische Validierung. Die Forschenden halten Druckereien und Hersteller medizinischer Geräte für mögliche Vorreiter bei der Einführung der Technologie, sobald diese letzten Hürden überwunden sind.

Wenn diese Herausforderungen bewältigt werden, liegen die Anwendungsmöglichkeiten auf der Hand. Die Laktatmessung in Echtzeit könnte Sportlerinnen und Sportlern helfen, ihre Belastung genau abzustimmen. Eine kontinuierliche Stoffwechselüberwachung könnte die Versorgung dort unterstützen, wo eine passive Überwachung mit geringem Aufwand besonders wichtig ist. Die Technologie könnte zu einer sichereren und gesünderen Gesellschaft beitragen, indem sie die Grundlage für Sensoren bildet, die den körperlichen Zustand allein durch das Tragen überwachen.

Das Wichtigste

• Forschende der Tokyo University of Science in Japan haben eine Enzymtinte auf Wasserbasis entwickelt, mit der sich schweißbetriebene Bio-Brennstoffzellen in einem einzigen Siebdruckschritt herstellen lassen. Sie erreichen 165 Mikrowatt pro Quadratzentimeter bei 0,63 Volt.
• Die Technologie macht Batterien in tragbaren Sensoren überflüssig, indem sie Laktat im Schweiß mithilfe enzymatischer Reaktionen in Strom umwandelt. Die Leistung reicht für eine Datenübertragung per Bluetooth Low Energy aus.
• Anders als herkömmliche mehrstufige Fertigungsverfahren, die zu Schwankungen zwischen den Geräten führen, ermöglicht die neue Enzymtinte, beide Elektroden gleichzeitig auf Papier zu drucken. Die Kosten könnten dadurch auf etwa 10 Yen pro Gerät sinken.
• Das System misst Laktatkonzentrationen von 1 bis 25 Millimol pro Liter und deckt damit die Bedingungen beim Sport ab. Es könnte eine kontinuierliche Gesundheitsüberwachung bei Sportlerinnen und Sportlern, älteren Pflegebedürftigen sowie zur Vorbeugung von Hitzschlag ermöglichen.
• Ein praktischer Einsatz ist für etwa 2030 vorgesehen. Dafür müssen noch die Lagerungsstabilität optimiert, Langzeitvalidierungen durchgeführt und die Sensoren in tragbare Systeme integriert werden.