Ingenieure der University of Delaware haben eine Technik zum Erstellen entwickelt berührungsempfindliche Smart Textiles durch die Beschichtung einer Vielzahl von Fasern, darunter Nylon, Baumwolle und Wolle, mit kohlenstoffbasierten Nanomaterialien.

Die resultierenden Stoffe sind mit neuartigen Sensorfähigkeiten ausgestattet, die einen weiten Druckbereich erfassen können – von die leichte Berührung einer Fingerspitze bis hin zum Überfahren durch einen Gabelstapler – das könnte eines Tages in Kleidung oder Schuhen verwendet werden, um menschliche Bewegungen zu erkennen.

„Da der kostengünstige Sensor dünn und flexibel ist, besteht die Möglichkeit, maßgeschneiderte Schuhe und andere Kleidungsstücke mit integrierter Elektronik herzustellen, um Daten während ihres täglichen Lebens zu speichern.“ Sagar Doshi, ein Doktorand im Maschinenbau und Hauptautor der Studie, sagte in einer Erklärung.

„Diese Daten könnten später von Forschern oder Therapeuten analysiert werden, um die Leistung zu bewerten und letztendlich die Kosten für die Gesundheitsversorgung zu senken.“

Die Forschung ist veröffentlicht in der Zeitschrift ACS-Sensoren.

Kohlenstoff-Nanoröhren

Um die Textilbeschichtungen herzustellen, griffen die Forscher auf Kohlenstoffnanomaterialien zurück.

„Meine Laborgruppe beschäftigte sich in den letzten Jahren mit der Verarbeitung, Charakterisierung und Modellierung von Nanomaterialien auf Kohlenstoffbasis“, sagte er Erik Thostenson, Dozent an den Fakultäten für Maschinenbau und Werkstoffkunde.

„Wir haben eine wasserbasierte skalierbare elektrophoretische Abscheidungstechnik entwickelt, um Nanokompositfaserbeschichtungen herzustellen. Mit dieser Fertigungstechnik verfügen wir über die einzigartige Fähigkeit, eine Vielzahl von Stoffen wie Baumwolle, Nylon, Polyester, Wolle, Glas und Aramid zu beschichten.“

Kohlenstoffnanoröhren verleihen der leichten, flexiblen und atmungsaktiven Stoffbeschichtung ihre nervenähnlichen Wahrnehmungsfähigkeiten. Wenn das Material zusammengedrückt wird, können große elektrische Veränderungen im Stoff leicht gemessen werden.

„Durch unsere Forschung haben wir die einzigartige Druck- und Dehnungserkennungsfähigkeit des beschichteten Textilmaterials entdeckt. Das letztendliche Ziel besteht darin, eine Vielzahl von Anwendungen zu erkunden, die von intelligenten Kleidungsstücken bis hin zu großformatigen Strukturen reichen, in denen die Technologie eingesetzt werden kann“, sagte Thostenson.

Eine bessere Methode

Mit dieser Methode können die Forscher Sensoren auf eine Weise an Stoff anbringen, die komfortabler ist als bestehende Techniken.

Aktuelle Methoden zur Herstellung intelligenter Textilien, wie z. B. Plattieren Fasern mit Metall oder das Zusammenstricken von Fasern und Metallsträngen beeinträchtigen häufig den Komfort und die Haltbarkeit von Stoffen, erklärte Thostenson.

Die von Doshi und Thostenson entwickelte Nanokompositbeschichtung ist jedoch flexibel und angenehm anzufassen und wurde an einer Reihe natürlicher und synthetischer Fasern getestet.

Darüber hinaus sind die Beschichtungen nur 250–750 Nanometer dick und würden einem typischen Schuh oder Kleidungsstück nur etwa ein Gramm Gewicht hinzufügen.

Darüber hinaus seien die zur Herstellung der Sensorbeschichtung verwendeten Materialien kostengünstig und relativ umweltfreundlich, erklärte Thostenson.

"Entgegen der landläufigen Meinung sind die Materialkosten dieser neuartigen Sensoren nicht hoch. Kohlenstoffnanoröhren, der Hauptwirkstoff dieser neuartigen Sensoren, werden jetzt im industriellen Maßstab hergestellt“, sagte Thostenson.

„Da unsere Herstellung bei Raumtemperatur erfolgt und ein wässriges Bad ohne aggressive Chemikalien verwendet wird, sind die Verarbeitungskosten deutlich niedrig.“

Zukünftige Anwendungen

„Eine der aufregendsten Anwendungen dieser Technologie ist die Analyse menschlicher Bewegungen mithilfe intelligenter Kleidungsstücke“, sagte Thostenson.

„Diese intelligenten Kleidungsstücke finden Anwendung in der Gesundheitsbranche für die Rehabilitation von Patienten, die Beurteilung von Bewegungsstörungen bei Kindern und biomedizinischen Geräten.“

In einer Anwendung kann das mit Sensoren beschichtete Gewebe beispielsweise dazu verwendet werden, Kräfte zu messen, die beim Gehen auf die Füße von Menschen einwirken. Solche Daten könnten Ärzten helfen, Ungleichgewichte nach einer Verletzung zu beurteilen oder Verletzungen bei Sportlern vorzubeugen.

Die Forscher arbeiten mit zusammen Jill Higginson, Professor für Maschinenbau und Direktor des Neuromuscular Biomechanics Lab an der UD, um zu sehen, wie sich diese Sensoren, wenn sie in Schuhe eingebettet sind, mit biomechanischen Labortechniken zur Bewegungserfassung vergleichen lassen.

„Eine unserer Ideen ist, dass wir diese neuartigen Textilien außerhalb einer Laborumgebung nutzen könnten – auf der Straße, zu Hause, wo auch immer“, sagte Thostenson in einer Erklärung.

In vorläufigen Tests stellten die Forscher fest, dass die Sensoren Daten wie eine Kraftmessplatte sammeln, ein teures Laborgerät, das Tausende von Dollar kostet.

Was kommt als nächstes?

Derzeit arbeiten die Forscher mit Professoren der Biomechanik zusammen, um die Sensoren an menschlichen Probanden zu testen, während ein Professor mit Fachkenntnissen in Mode- und Bekleidungsstudien dabei hilft, die Sensoren auf nicht-invasive Weise zu integrieren.

Darüber hinaus erklärte Thostenson, dass im Labor auch Forschungen zur Optimierung der Empfindlichkeit der Sensoren und zur Skalierung des Herstellungsprozesses durchgeführt werden.

„Da es zahlreiche potenzielle Anwendungen für diese Sensoren gibt, freuen wir uns darauf, mit der Industrie und anderen Forschern zusammenzuarbeiten, um spezifische Anwendungen zu entwickeln“, sagte er.