Smarte Textilien Glasfasertextilien überwachen Gesundheitsdaten

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Forscher der ETH Zürich haben smarte Textilien geschaffen, die akustische Wellen statt Elektronik nutzen, um Berührungen, Druck und Bewegungen präzise zu messen. Mögliche Anwendungen reichen von der Überwachung der Atmung bei Asthmapatienten über die Verbesserung von Bewegungsabläufen im Sport bis zur Übersetzung von Gebärdensprache.

Ein Forscherteam der ETH Zürich hat smarte Textilien entwickelt, die Berührungen, Druck und Bewegungen präzise messen. Anders als viele bisherigen Entwicklungen in diesem Bereich, setzen die ETH-Forscher auf akustische Wellen, die durch Glasfasern geleitet werden. Das macht die Messungen präziser und die Textilien leichter, atmungsaktiver und besser waschbar. „Zudem sind sie kostengünstig, da wir leicht zugängliches Material verwenden, und der Stromverbrauch ist sehr gering“, sagt Daniel Ahmed, Professor für Akustische Robotik für Biowissenschaften und Gesundheitswesen und Leiter des Forscherteams.

Die Forscher nennen ihre Entwicklung Sono-Textilien. Dabei haben sie normale Stoffe in smarte Sensoren verwandelt, die auf Berührungen, 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“, erklärt Yingqiang Wang, Erstautor der in der Fachzeitschrift Nature Electronics veröffentlichten Studie.

Schallwellen fließen auf unterschiedlichen Frequenzen

Der Stoff ist in regelmäßigen Abständen mit Glasfasern durchzogen. An deren einem Ende befindet sich ein kleiner Sender, der Schallwellen aussendet. Das andere Ende aller Glasfasern mündet in einen Empfänger, der misst, ob sich die Wellen verändert haben. Jeder Sender arbeitet mit einer anderen Frequenz. So lässt sich mit wenig Rechenleistung erkennen, auf welcher Glasfaser sich die Schallwellen verändert haben. Bisherige smarte Textilien kämpften oft mit Problemen der Datenüberlastung und Signalverarbeitung, da jede Sensorstelle einzeln ausgewertet werden musste. „Zukünftig könnten die Daten in Echtzeit direkt an einen Computer oder ein Smartphone gesendet werden“, sagt Ahmed.

Wird eine Glasfaser bewegt, verändert sich die Länge der durch sie fließenden akustischen Wellen, da sie an Energie verlieren. Bei einem T-Shirt kann das durch die Körperbewegung oder auch durch die Atmung geschehen. „Wir haben Frequenzen um die 100 Kilohertz im Ultraschallbereich verwendet – weit außerhalb des menschlichen Hörbereichs, der zwischen 20 Hertz und 20 Kilohertz liegt“, betont Wang.

Laborergebnisse in die Praxis überführen

Im Labor haben die Forscher bereits gezeigt, dass ihr Konzept funktioniert. In Zukunft könnten Sono-Textilien in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden: z. b. als Hemd oder T-Shirt könnten sie die Atmung von Asthmapatienten überwachen und im Notfall warnen.

Im Sporttraining und bei der Leistungsüberwachung könnten Sportler eine Echtzeit-Analyse ihrer Bewegungen erhalten, um ihre Leistung zu optimieren und Verletzungen vorzubeugen. Auch für Gebärdensprache bieten die Textilien Potenzial: Handschuhe mit dieser Technologie könnten Handbewegungen simultan in Text oder Sprache übersetzen. Zudem könnten sie in Virtual- oder Augmented-Reality-Umgebungen eingesetzt werden.

„Sono-Textilien könnten sogar die Körperhaltung einer Person messen und als Hilfstechnologie die Lebensqualität verbessern“, ergänzt Chaochao Sun, der ebenfalls Erstautor der Studie ist. Menschen, die ihre Körperhaltung verbessern möchten, könnten so gezieltes Feedback erhalten, um Fehlhaltungen zu korrigieren. Auch im Rollstuhl könnten die Textilien anzeigen, wann ein Umsetzen nötig ist, um Druckgeschwüren vorzubeugen.

Auch wenn die Alltagstauglichkeit der Sono-Textilien potenziell sehr hoch ist, ergänzt Ahmed, dass es mit Blick auf die praktische Anwendung noch Verbesserungspotenzial gibt. Glasfasern als Schallleiter waren im Labor ideal, aber im Alltag können sie möglicherweise brechen. „Das Schöne ist, dass wir die Glasfasern leicht durch Metall ersetzen können. Schall breitet sich auch effektiv durch Metall aus“, erklärt Ahmed und ergänzt: „Wir möchten unsere Forschung in diese Richtung und auch auf weitere Anwendungen ausweiten.“ Als Nächstes wollen die Forscher das System robuster gestalten und prüfen, wie sich die Elektronik besser in die Textilien integrieren lässt.

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