Mit Schallwellen zum smarten T-Shirt

Stellen Sie sich vor, Sie tragen ein T-Shirt, das Ihre Atemfrequenz misst, oder Handschuhe, die Ihre Handbewegungen in Befehle f¨¹r den Computer ¨¹bersetzen. Forschende der ETH Z¨¹rich unter der Leitung von Daniel Ahmed, Professor f¨¹r Akustische Robotik f¨¹r Biowissenschaften und Gesundheitswesen, haben die Grundlagen f¨¹r solche smarten Textilien geschaffen. Anders als viele bisherige Entwicklungen in diesem Bereich, die daf¨¹r meist Elektronik benutzen, setzen die ETH-Forschenden auf akustische Wellen, die durch Glasfasern geleitet werden. Das macht die Messungen pr?ziser und die Textilien leichter und atmungsaktiver und besser waschbar. ?Zudem sind sie kosteng¨¹nstig, da wir leicht zug?ngliches Material verwenden, und der Stromverbrauch ist sehr gering?, sagt Ahmed.

Akustische Sensoren im Stoff

Die Forschenden nennen ihre Entwicklung Sono-Textilien. Dabei haben sie normale Stoffe in smarte Sensoren verwandelt, die auf Ber¨¹hrungen, Druck und Bewegungen reagieren. ?Es gab zwar bereits Forschung zu smarten Textilien auf Akustikbasis, aber wir sind die Ersten, die Glasfasern in Kombination mit Signalen, die unterschiedliche Frequenzen verwenden, erprobten?, erkl?rt Yingqiang Wang, Erstautor der in der Fachzeitschrift externe Seite Nature Electronics ver?ffentlichten Studie.

Die Forschenden haben Glasfasern in regelm?ssigen Abst?nden durch den Stoff gewebt. An deren einem Ende befindet sich ein kleiner Sender, der Schallwellen aussendet. Das andere Ende aller Glasfasern m¨¹ndet in einen Empf?nger, der misst, ob sich die Wellen ver?ndert haben.

Jeder Sender arbeitet mit einer anderen Frequenz. So l?sst sich mit wenig Rechenleistung erkennen, auf welcher Glasfaser sich die Schallwellen ver?ndert haben. Bisherige smarte Textilien k?mpften oft mit Problemen der Daten¨¹berlastung und Signalverarbeitung, da jede Sensorstelle einzeln ausgewertet werden musste. ?Zuk¨¹nftig k?nnten die Daten in Echtzeit direkt an einen Computer oder ein Smartphone gesendet werden?, sagt Ahmed.

Wird eine Glasfaser bewegt, ver?ndert sich die L?nge der durch sie fliessenden akustischen Wellen, da sie an Energie verlieren. Bei einem T-Shirt kann das durch die K?rperbewegung oder auch durch die Atmung geschehen. ?Wir haben Frequenzen um die 100 Kilohertz im Ultraschallbereich verwendet ¨C weit ausserhalb des menschlichen H?rbereichs, der zwischen 20 Hertz und 20 Kilohertz liegt?, betont Wang.

Vielseitig einsetzbar

Die Forschenden haben im Labor gezeigt, dass ihr Konzept funktioniert. In Zukunft k?nnten Sono-Textilien in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden: Als Hemd oder T-Shirt k?nnten sie die Atmung von Asthmapatienten ¨¹berwachen und im Notfall warnen.

Im Sporttraining und bei der Leistungs¨¹berwachung k?nnten Sportlerinnen und Sportler eine Echtzeit-Analyse ihrer Bewegungen erhalten, um ihre Leistung zu optimieren und Verletzungen vorzubeugen. Auch f¨¹r Geb?rdensprache bieten die Textilien Potenzial: Handschuhe mit dieser Technologie k?nnten Handbewegungen simultan in Text oder Sprache ¨¹bersetzen. Zudem k?nnten sie in Virtual- oder Augmented-Reality-Umgebungen eingesetzt werden.

?Sono-Textilien k?nnten sogar die K?rperhaltung einer Person messen und als Hilfstechnologie die Lebensqualit?t verbessern?, erg?nzt Chaochao Sun, der ebenfalls Erstautor der Studie ist. Menschen, die ihre K?rperhaltung verbessern m?chten, k?nnten so gezieltes Feedback erhalten, um Fehlhaltungen zu korrigieren. Auch im Rollstuhl k?nnten die Textilien anzeigen, wann ein Umsetzen n?tig ist, um Druckgeschw¨¹ren vorzubeugen.

Auch wenn die Alltagstauglichkeit der Sono-Textilien potenziell sehr hoch ist, erg?nzt Ahmed, dass es mit Blick auf die praktische Anwendung noch Verbesserungspotenzial gibt. Glasfasern als Schallleiter waren im Labor ideal, aber im Alltag k?nnen sie m?glicherweise brechen. ?Das Sch?ne ist, dass wir die Glasfasern leicht durch Metall ersetzen k?nnen. Schall breitet sich auch effektiv durch Metall aus?, erkl?rt Ahmed und erg?nzt: ?Wir m?chten unsere Forschung in diese Richtung und auch auf weitere Anwendungen ausweiten.? Als N?chstes wollen die Forschenden das System robuster gestalten und pr¨¹fen, wie sich die Elektronik besser in die Textilien integrieren l?sst.