Textination Newsline

Smarte Textilien sollen ermöglichen, auch vom Körpergefühl her in die virtuelle Realität einzutauchen und Berührungen am eigenen Leib zu spüren. Eine hauchdünne Folie, die Berührungsempfindungen übertragen kann, macht dabei Stoffe zur zweiten, virtuellen Haut. Schwer kranken Kindern in Isolierstationen soll sie die Körpernähe ihrer Eltern bei computersimulierten Besuchen spürbar machen. Das Team der Professoren Stefan Seelecke und Paul Motzki stellt die Technologie auf der Hannover Messe vor.

Die Hand auf der Schulter, ein Streicheln am Arm, eine Umarmung: Solche Berührungen beruhigen, trösten, vermitteln Sicherheit, Geborgenheit und Nähe. Geben die Nervenzellen der Haut solche Reize weiter, werden blitzschnell viele Hirnbereiche aktiv und fachen die körpereigene Biochemie an. Hormone und andere Botenstoffe werden ausgeschüttet, darunter Oxytocin, das Wohlgefühl und Bindung entstehen lässt. Videokonferenzen dagegen lassen uns eher kalt, Geborgenheit und Nähe sind kaum zu spüren – es fehlt das Körperliche. Aber was, wenn Nähe wichtig ist, wenn Kinder schwer krank sind, aber die Eltern nicht zu ihnen können? Wenn Körperkontakt wegen eines geschwächten Immunsystems nicht sein darf?

Damit Kinder in Isolierstationen die Körpernähe ihrer Eltern auch bei virtuellen Besuchen spüren und möglichst realitätsnah in dieses Erlebnis eintauchen können, arbeitet an der Universität des Saarlandes, an der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes (htw saar), am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA) und am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) ein Forschungsteam über die Fachgrenzen hinweg zusammen. An der Schnittstelle von Ingenieurwissenschaft, Neurotechnologie, Medizin und Informatik entwickeln die Forscherinnen und Forscher im Projekt „Multi-Immerse“ eine virtuelle Begegnung, die alle Sinne ansprechen soll. „Immerse“ steht dabei für „Eintauchen“, für eine intensive Sinneswahrnehmung. Die jungen Patientinnen und Patienten sollen über neue Technologien ihre Eltern und Geschwister möglichst realitätsnah sehen, hören, fühlen und trotz der räumlichen Trennung dennoch ihre intensive Nähe spüren.

Für das Fühlen und die taktile Wahrnehmung zuständig ist dabei die Forschungsgruppe der Professoren Stefan Seelecke und Paul Motzki an der Universität des Saarlandes und am Saarbrücker ZeMA: Sie sind Spezialisten darin, Oberflächen mithilfe leichter Silikonfolien neuartige Fähigkeiten zu verleihen. Die Ingenieurinnen und Ingenieure machen die gerade mal 50 Mikrometer dünnen Folien zu einer zweiten Haut: Wie die Haut Schnittstelle des menschlichen Körpers zu seiner realen Außenwelt ist, soll die Folie seine Schnittstelle zur virtuellen Welt werden. Damit soll eine neue Körperwahrnehmung in der fiktiven Realität entstehen.

In einem Textil eingearbeitet, sollen die Folien die Berührungen auf die Haut des Kindes übertragen, die entstehen, wenn Mutter oder Vater andernorts über ein zweites smartes Textil streichen. „Wir nutzen dabei die Folien, sogenannte dielektrische Elastomere, als Sensoren, um die Berührungsbewegungen zu erfassen, und zugleich auch als Aktoren, also Antriebe, um diese Bewegungen weiterzugeben“, erklärt Stefan Seelecke, Professor für intelligente Materialsysteme. Die Folie erkennt als Sensor wie genau Hand und Finger die Folie beim Darüberstreichen eindrücken, eindellen und dehnen. Exakt diese Deformation, die durch die Berührungsbewegungen entsteht, imitiert die Folie in einem zweiten Textil auf der Haut des Kindes, um so etwa auf dem Arm den Eindruck eines Darüberstreichens zu vermitteln.

„Die Ober- und Unterseite der Folie sind mit einer leitfähigen, hochdehnbaren Elektrodenschicht bedruckt. Wenn wir hieran eine elektrische Spannung anlegen, ziehen sich die Elektroden durch die elektrostatische Anziehung an und stauchen die Folie, die zur Seite ausweicht und dabei ihre Fläche vergrößert“, erklärt Professor Paul Motzki die Technologie, der die Brückenprofessur „Smarte Materialsysteme für innovative Produktion“ zwischen Universität des Saarlandes und ZeMA innehat. Bei jeder kleinsten Bewegung ändert sich hierbei die elektrische Kapazität der Folie: eine physikalische Größe, die gemessen werden kann. Streicht also ein Finger über die Folie, verformt er diese und jeder einzelnen Stellung lässt sich ein exakter Messwert der elektrischen Kapazität zuordnen: Eine bestimmte Zahl beschreibt eine ganz bestimmte Stellung der Folie. Eine Abfolge dieser einzelnen Messwerte setzt einen Bewegungsablauf in Gang. Die Folie ist damit ihr eigener dehnbarer Sensor, der selbst erkennt, wie sie verformt wird.

Mit den Messwerten der einzelnen Verformungen können die Forscher etwa Streichelbewegungen durch das smarte Textil auf den Arm des Kindes übertragen. Sie können die Folie auch gezielt ansteuern. Durch intelligente Algorithmen lassen sich in einer Regelungseinheit Bewegungsabläufe vorausberechnen und programmieren. „Wir können die Folie stufenlos Hubbewegungen vollführen lassen, so dass es sich wie ansteigender Druck anfühlt oder auch eine bestimmte Position halten“, erklärt Doktorandin Sipontina Croce, die im Projekt forscht. Aber auch Klopfbewegungen sind möglich. Frequenz und Schwingungen können die Forscherinnen und Forscher beliebig verändern.

Auf der Hannover Messe demonstriert das Team seine Technologie mit einer „Uhr“, auf deren Rückseite eine smarte Folie angebracht ist. „Wir können mehrere solcher smarter Bausteine aneinanderreihen, so dass zum Beispiel eine lange Streichbewegung übertragen werden kann. Hierzu vernetzen wir diese Bausteine, so dass sie wie ein Schwarm untereinander kommunizieren und kooperieren“, erklärt Paul Motzki.

Das Verfahren ist günstig, leicht, geräuschlos und energieeffizient. Die Folientechnologie kann auch bei Computerspielen das Spielerlebnis durch eine realistische Körperwahrnehmung intensiver machen. In anderen Projekten kleiden die Ingenieure mit ihren Folien Arbeitshandschuhe für die Industrie 4.0 aus oder lassen den Eindruck von Knopfkanten entstehen, so dass aus dem Nichts heraus Tasten oder Schieberegler spürbar werden, wodurch sie Bedienoberflächen nutzerfreundlicher machen.

Auf der Hannover Messe zeigen die Saarbrücker Expertinnen und Experten für intelligente Materialsysteme weitere Entwicklungen mit dielektrischen Elastomeren: so zum Beispiel weitere smarte Textilien wie sensorische Shirts oder Schuhsohlen, auch Pumpen und Vakuumpumpen sowie Hochleistungsaktoren.

Die kostengünstige FibeRobo, die mit bestehenden Textilherstellungstechniken kompatibel ist, könnte für adaptive Funktionsbekleidung oder Kompressionskleidung verwendet werden.

Forscher des MIT und der Northeastern University haben eine Flüssigkristall-Elastomerfaser entwickelt, die ihre Form als Reaktion auf thermische Reize verändern kann. Die Faser, die mit bestehenden Textilherstellungsmaschinen vollständig kompatibel ist, könnte zur Herstellung von sich wandelnden Textilien verwendet werden, z. B. für eine Jacke, die bei sinkenden Temperaturen stärker isoliert, um den Träger warm zu halten.

Stellen Sie sich vor, Sie bräuchten nicht mehr für jede Jahreszeit einen Mantel, sondern eine Jacke, die ihre Form dynamisch verändert, so dass sie bei sinkenden Temperaturen isolierender wird und Sie warmhält.

Eine von einem interdisziplinären Team von MIT-Forschern entwickelte programmierbare Antriebsfaser könnte diese Vision eines Tages Wirklichkeit werden lassen. Die als FibeRobo bezeichnete Faser zieht sich bei einem Temperaturanstieg zusammen und kehrt sich dann selbst um, wenn die Temperatur sinkt - ohne eingebettete Sensoren oder andere feste Komponenten.

Die kostengünstige Faser ist voll kompatibel mit Textilherstellungstechniken, einschließlich Webmaschinen, Stickereien und industriellen Strickmaschinen, und kann kontinuierlich kilometerweise produziert werden. Dies könnte es Designern ermöglichen, eine breite Palette von Stoffen für unzählige Anwendungen mit Antriebs- und Sensorfunktionen auszustatten.

Die Fasern können auch mit einem leitfähigen Faden kombiniert werden, der als Heizelement wirkt, wenn elektrischer Strom durch ihn fließt. Auf diese Weise werden die Fasern durch Elektrizität aktiviert, was dem Nutzer eine digitale Kontrolle über die Form des Textils ermöglicht. So könnte ein Stoff beispielsweise seine Form auf der Grundlage digitaler Informationen, wie den Messwerten eines Herzfrequenzsensors, verändern.

„Wir verwenden Textilien für alles. Wir bauen Flugzeuge aus Faserverbundwerkstoffen, wir kleiden die Internationale Raumstation mit einem Strahlenschutzgewebe aus, wir verwenden sie für individuelle Bekleidung und Funktionsbekleidung. Vieles in unserer Umwelt ist anpassungsfähig und reaktionsfähig, aber das, was am anpassungsfähigsten und reaktionsfähigsten sein muss - Textilien - ist völlig träge“, sagt Jack Forman, Doktorand in der Tangible Media Group des MIT Media Lab, der auch am Center for Bits and Atoms tätig ist, und Hauptautor einer Arbeit über die aktivierende Faser.

An dem Papier arbeiten 11 weitere Forscher des MIT und der Northeastern University mit, darunter seine Berater Professor Neil Gershenfeld, der das Center for Bits and Atoms leitet, und Hiroshi Ishii, der Jerome B. Wiesner Professor of Media Arts and Sciences und Leiter der Tangible Media Group. Die Forschungsergebnisse werden auf dem ACM Symposium on User Interface Software and Technology vorgestellt.

Sich verwandelnde Materialien
Die MIT-Forscher wollten eine Faser, die sich geräuschlos bewegen und ihre Form drastisch verändern kann und gleichzeitig mit den üblichen Textilherstellungsverfahren kompatibel ist. Um dies zu erreichen, verwendeten sie ein Material, das als Flüssigkristall-Elastomer (LCE) bekannt ist.

Ein Flüssigkristall besteht aus einer Reihe von Molekülen, die wie eine Flüssigkeit fließen können, aber wenn sie sich absetzen, stapeln sie sich zu einer periodischen Kristallanordnung. Die Forscher bauen diese Kristallstrukturen in ein Elastomernetzwerk ein, das dehnbar ist wie ein Gummiband.

Wenn sich das LCE-Material erwärmt, geraten die Kristallmoleküle aus ihrer Ausrichtung und ziehen das Elastomernetzwerk zusammen, wodurch sich die Faser zusammenzieht. Wenn die Hitze weggenommen wird, kehren die Moleküle in ihre ursprüngliche Ausrichtung zurück und das Material erhält seine ursprüngliche Länge, erklärt Forman.

Durch sorgfältiges Mischen von Chemikalien zur Synthese der LCE können die Forscher die endgültigen Eigenschaften der Faser steuern, z. B. ihre Dicke oder die Temperatur, bei der sie aktiviert wird.

Sie perfektionierten eine Präparationstechnik, mit der LCE-Fasern hergestellt werden können, die bei hautverträglichen Temperaturen aktiviert werden können, so dass sie sich für tragbare Stoffe eignen.

"Es gibt viele Knöpfe, an denen wir drehen können. Es war eine Menge Arbeit, dieses Verfahren von Grund auf neu zu entwickeln, aber letztendlich gibt es uns viel Freiheit für die entstehende Faser", fügt er hinzu.

Die Forscher stellten jedoch fest, dass die Herstellung von Fasern aus LCE-Harz ein heikler Prozess ist. Bestehende Techniken führen oft zu einer verschmolzenen Masse, die sich nicht abspulen lässt.

Die Forscher untersuchen auch andere Möglichkeiten zur Herstellung funktioneller Fasern, wie z. B. die Einarbeitung von Hunderten von mikroskopisch kleinen digitalen Chips in ein Polymer, die Verwendung eines aktivierten Fluidiksystems oder die Einbeziehung von piezoelektrischem Material, das Schallschwingungen in elektrische Signale umwandeln kann.

Faserherstellung
Forman baute eine Maschine mit 3D-gedruckten und lasergeschnittenen Teilen und einfacher Elektronik, um die Herausforderungen bei der Herstellung zu meistern. Er baute die Maschine zunächst im Rahmen des Graduiertenkurses MAS.865 (Rapid-Prototyping of Rapid-Prototyping Machines: How to Make Something that Makes [almost] Anything).

Zu Beginn wird das dicke und zähflüssige LCE-Harz erhitzt und dann langsam durch eine Düse wie bei einer Klebepistole gepresst. Wenn das Harz austritt, wird es sorgfältig mit UV-Lichtern ausgehärtet, die auf beide Seiten der langsam extrudierenden Faser leuchten. Ist das Licht zu schwach, trennt sich das Material und tropft aus der Maschine, ist es jedoch zu hell, können sich Klumpen bilden, was zu unebenen Fasern führt.

Dann wird die Faser in Öl getaucht, um ihr eine gleitfähige Beschichtung zu verleihen, und erneut ausgehärtet, diesmal mit voll aufgedrehtem UV-Licht, wodurch eine starke und glatte Faser entsteht. Schließlich wird die Faser auf eine Spule aufgewickelt und in Pulver getaucht, damit sie leicht in die Maschinen für die Textilherstellung gleiten kann.

Von der chemischen Synthese bis zur fertigen Spule dauert der Prozess etwa einen Tag und ergibt etwa einen Kilometer gebrauchsfertige Faser. „Am Ende des Tages will man keine Diva-Faser. Man möchte eine Faser, die sich bei der Arbeit mit ihr in das Ensemble der Materialien einfügt - eine Faser, mit der man wie mit jedem anderen Fasermaterial arbeiten kann, die aber eine Menge aufregender neuer Möglichkeiten bietet“, sagt Forman.

Die Entwicklung einer solchen Faser erforderte eine Menge „trial and error“ sowie die Zusammenarbeit von Forschern mit Fachwissen in vielen Disziplinen, von der Chemie über den Maschinenbau und die Elektronik bis hin zum Design. Die so entstandene Faser mit dem Namen FibeRobo kann sich um bis zu 40 Prozent zusammenziehen, ohne sich zu krümmen, sie kann bei hautverträglichen Temperaturen aktiviert werden (die hautverträgliche Version der Faser zieht sich um bis zu 25 Prozent zusammen) und sie kann mit einer kostengünstigen Anlage für 20 Cent pro Meter hergestellt werden, was etwa 60-mal billiger ist als handelsübliche formverändernde Fasern. Die Faser kann sowohl in industrielle Näh- und Strickmaschinen als auch in nicht-industrielle Verfahren wie Handwebstühle oder manuelles Häkeln integriert werden, ohne dass eine Prozessänderung erforderlich ist.

Die MIT-Forscher haben mit FibeRobo mehrere Anwendungen demonstriert, darunter einen adaptiven Sport-BH, der durch Stickerei hergestellt wird und sich strafft, wenn die Trägerin mit dem Training beginnt. Sie verwendeten auch eine industrielle Strickmaschine, um eine Kompressionsweste für den Hund von Forman, der Professor heißt, herzustellen. Die Jacke wird über ein Bluetooth-Signal von Formans Smartphone aktiviert und „umarmt“ den Hund. Kompressionswesten werden üblicherweise verwendet, um die Trennungsangst eines Hundes zu lindern, wenn sein Besitzer nicht zu Hause ist.

In Zukunft wollen die Forscher die chemischen Komponenten der Faser so anpassen, dass sie recycelbar oder biologisch abbaubar ist. Darüber hinaus wollen sie den Prozess der Polymersynthese vereinfachen, so dass auch Nutzer ohne Nasslaborerfahrung ihn selbst durchführen können.

Forman ist gespannt auf die FibeRobo-Anwendungen, die andere Forschungsgruppen auf der Grundlage dieser frühen Ergebnisse entwickeln. Langfristig hofft er, dass FibeRobo zu einem Produkt wird, das man wie ein Garnknäuel im Bastelladen kaufen kann und mit dem sich leicht veränderliche Stoffe herstellen lassen.

„LCE-Fasern erwachen zum Leben, wenn sie in Funktionstextilien integriert werden. Es ist besonders faszinierend zu beobachten, wie die Autoren kreative Textildesigns mit einer Vielzahl von Web- und Strickmustern entwickelt haben“, sagt Lining Yao, der Cooper-Siegel Associate Professor of Human Computer Interaction an der Carnegie Mellon University, der jedoch nicht an dieser Arbeit beteiligt war.

Diese Forschungsarbeit wurde zum Teil durch das William Asbjornsen Albert Memorial Fellowship, das Dr. Martin Luther King Jr. Visiting Professor Program, Toppan Printing Co., Honda Research, Chinese Scholarship Council und Shima Seiki unterstützt. Zum Team gehörten Ozgun Kilic Afsar, Sarah Nicita, Rosalie (Hsin-Ju) Lin, Liu Yang, Akshay Kothakonda, Zachary Gordon und Cedric Honnet am MIT sowie Megan Hofmann und Kristen Dorsey an der Northeastern University.

Ob biologisch abbaubare Geotextilien, Wearables aus thermoplastischen Elastomeren oder Funktions-Textilien aus dem 3D-Drucker – die Bandbreite der am Fraunhofer Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT entwickelten Kunststoffe ist groß.

Einblicke in diese Projekte gab es vom 16. bis 23. Oktober in Düsseldorf: Auf der K stellten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ihre Arbeit an thermisch und elektrisch leitfähigen, biologisch abbaubaren, biobasierten sowie für die additive Fertigung geeigneten Compounds vor.

Textile Verbundwerkstoffe aus dem 3D-Drucker
Im Projekt »AddiTex« sind Kunststoffe entstanden, die mit Hilfe des 3D-Drucks schichtweise auf Textilien aufgetragen werden und diesen funktionale Eigenschaften verleihen. Eine besondere Herausforderung bei der Entwicklung war die permanente Haftung: Der aufgedruckte Kunststoff sollte sowohl eine feste Verbindung mit dem Textil eingehen als auch ausreichend flexibel sein, um Bewegungen und Drehungen mitmachen zu können.

Entwickelt wurden ein flexibles und flammgeschütztes Compound, das sich besonders für die Anwendung im Bereich des textilen Sonnen- und Schallschutzes eignet, sowie ein steifes Compound, das u. a. bei der Formverstärkung für Schutz- und Funktionsbekleidung zum Einsatz kommt.

Geotextilfilter für die technisch-biologische Ufersicherung
Geotextilfilter für die technisch-biologische Ufersicherung stehen im Zentrum des Projektes »Bioshoreline«. Dahinter verbergen sich stufenweise biologisch abbaubare Vliese, die eine naturnahe Ufergestaltung von Binnenwasserstraßen mit Pflanzen ermöglichen. Sie bestehen aus nachwachsenden Rohstoffen und sollen im Anfangszustand den Boden im Uferbereich stabilisieren, bis die Pflanzenwurzeln ausreichend gewachsen sind, und sowohl Filter- als auch Rückhaltefunktionen übernehmen. Die Alterung und der biologische Abbau der Vliese beginnen unmittelbar nach der Installation, bis die Vliese nach und nach vollständig abgebaut sind.

Aktuell werden Prototypen der Geotextilfilter geprüft. Wissenschaftlerinnen bewerten die ober- und unterirdisch gebildete Pflanzenmasse mit und ohne Geotextilfilter sowie den Einfluss des Bodentyps auf das Pflanzenwachstum und den biologischen Abbau des Filters.

Wearables aus thermoplastischen Elastomeren
Darüber hinaus werden am Fraunhofer UMSICHT neuartige, elektrisch leitfähig eingestellte und flexible Compounds entwickelt, die zu Thermoplast-basierten Bipolarplatten verarbeitet werden können. Diese Kunststoffe sind elektrisch hochleitfähig, flexibel, mechanisch stabil, gasdicht und chemisch resistent sowie – in Abhängigkeit des Füllgrades an elektrisch leitfähigen Additiven – vielfältig nutzbar. Zum Beispiel in elektrochemischen Speichern (Batterien), in Energiewandlern (Brennstoffzellen), in chemikalienresistenten Wärmeübertragern oder als Widerstandsheizelemente.

Ein weiteres mögliches Einsatzgebiet dieser Kunststoffe: Wearables. Diese tragbaren Materialien lassen sich mit den neuen Compounds nämlich einfach und günstig herstellen. Denkbar ist u. a., Kleidungsstücke wie eine Weste mit Hilfe von Widerstandsheizelementen zu formen. Der Gedanke dahinter heißt Power-to-Heat und ermöglicht die direkte Umwandlung von Energie in Wärme.

FÖRDERHINWEISE
»AddiTex« wird gefördert mit einer Zuwendung des Landes Nordrhein-Westfalen unter Einsatz von Mitteln aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) 2014-2020 »Investitionen in Wachstum und Beschäftigung«. Projektträger: LeitmarktAgentur.NRW • Projektträger Jülich.
Die Förderung des Vorhabens »Bioshoreline« (Förderkennzeichen: 22000815) erfolgt aus Mitteln des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages.

Nähere Informationen online unter: https://www.umsicht.fraunhofer.de/de/referenzen/additex.html