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Faszination Technik Mit Schallwellen zum smarten T-Shirt

Quelle: ETH Zürich 2 min Lesedauer

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie Forschende mit akustischen Wellen und Glasfasern ein smartes T-Shirt entwickelt haben, das leicht, atmungsaktiv und kostengünstig ist.

Beispiel eines smarten Textils, das mit Glasfasern durchwebt wurde.(Bild: Yingqiang Wang / ETH Zürich)
Beispiel eines smarten Textils, das mit Glasfasern durchwebt wurde.
(Bild: Yingqiang Wang / ETH Zürich)

Das T-Shirt misst die Atemfrequenz? Handschuhe übersetzen Handbewegungen in Befehle für den Computer? Forschende der ETH Zürich unter der Leitung von Daniel Ahmed, Professor für Akustische Robotik für Biowissenschaften und Gesundheitswesen, haben die Grundlagen für solche smarten Textilien geschaffen.

Aber anders als viele bisherige Entwicklungen in diesem Bereich, die dafür meist Elektronik benutzen, setzen die ETH-Forschenden auf akustische Wellen, die durch Glasfasern geleitet werden. Das macht die Messungen präziser und die Textilien leichter und atmungsaktiver und besser waschbar. "Zudem sind sie kostengünstig, da wir leicht zugängliches Material verwenden, und der Stromverbrauch ist sehr gering", sagt Ahmed.

Normale Stoffe werden zu smarten Sensoren

Die Glasfasern sind in regelmässigen Abständen durch das Gewebe gewebt (links). Ein Sender (T) leitet akustische Wellen durch die Glasfasern, während der Empfänger (R) die Wellen am anderen Ende misst. Integration von Sono-Textilien zur Herstellung intelligenter T-Shirts (rechts). (Bild: Yingqiang Wang / ETH Zürich)
Die Glasfasern sind in regelmässigen Abständen durch das Gewebe gewebt (links). Ein Sender (T) leitet akustische Wellen durch die Glasfasern, während der Empfänger (R) die Wellen am anderen Ende misst. Integration von Sono-Textilien zur Herstellung intelligenter T-Shirts (rechts).
(Bild: Yingqiang Wang / ETH Zürich)

Die Forschenden 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 externe SeiteNature Electronics veröffentlichten Studie.

  • Die Forschenden haben Glasfasern in regelmäßigen Abständen durch den Stoff gewebt.
  • 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.

Bewegung ändert Wellenlänge

Die Wellenlänge in den Glasfasern verändert sich, sobald diese berührt oder gebogen werden. (Bild: Yingqiang Wang / ETH Zürich)
Die Wellenlänge in den Glasfasern verändert sich, sobald diese berührt oder gebogen werden.
(Bild: Yingqiang Wang / ETH Zürich)

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.

Sono-Textilien sind vielseitig einsetzbar

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

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