Textination Newsline

Was kommt Ihnen in den Sinn, wenn Sie an „Wearable Technology“ denken? Im Jahr 2023 wahrscheinlich eine ganze Menge, wenn Smartwatch und Ring die Herzfrequenz messen, sportliche Aktivitäten verfolgen und sogar Textnachrichten empfangen. Vielleicht denken Sie auch an das „hässliche“ blinkende Sweatshirt oder das Kostüm, das Sie an Halloween oder in der Weihnachtszeit gesehen haben.

Am Wilson College of Textiles arbeiten Forscher jedoch hart an der Optimierung einer wahrhaft neuartigen Form von Wearable Technology, die sich in einer Vielzahl von Bereichen als nützlich erweisen kann, von Mode und Sport über Augmented Reality bis hin zu Militär und Medizin.

Dieses Projekt, das sich derzeit in der Schlussphase befindet, könnte dazu beitragen, die Nutzer in kritischen Situationen zu schützen - z. B. Soldaten im Kriegseinsatz oder Patienten in Krankenhäusern - und gleichzeitig die Grenzen dessen, was die Textilforschung leisten kann, erweitern.

"Die Ziele, die wir uns für diese Forschung gesetzt haben, sind völlig neuartig im Vergleich zu jeder anderen Fachliteratur, die es über tragbare Steckverbindungen gibt", sagt Shourya Dhatri Lingampally, Studentin und Forschungsassistentin am Wilson College of Textiles, die gemeinsam mit der Assistenzprofessorin Minyoung Suh an dem Projekt arbeitet.

Die im Herbst 2021 gestartete Arbeit von Suh und Lingampally konzentriert sich auf in Textilien integrierte tragbare Anschlüsse, eine einzigartige „Hightech-Brücke“ zwischen flexiblen Textilien und externen elektronischen Geräten. Im Kern zielt das Projekt darauf ab, den Technologiereifegrad (Technology Readiness Level) dieser Konnektoren zu verbessern - ein Schlüsselwert, der von der NASA und dem Verteidigungsministerium verwendet wird, um den Reifegrad einer bestimmten Technologie zu bewerten.

Zu diesem Zweck untersuchen Lingampally und ihre Kollegen Probleme, die in der Vergangenheit die Leistung von tragbaren Geräten beeinträchtigt haben.

Sicherlich können diese Fortschritte der Mode zugutekommen und zu ausgefallenen Hemden, Jacken oder Accessoires führen – „die auf der Grundlage biometrischer Daten des Trägers leuchten oder ihre Farbe ändern“, so Lingampally -, aber die Forschung hat ihre Wurzeln in einer deutlich tiefer gehenden Mission.

Potentieller Nutzen für Militär, Medizin und mehr
Das Projekt wird mit einem Zuschuss von mehr als 200.000 Dollar von Advanced Functional Fabrics of America (AFFOA) finanziert, einem US-amerikanischen Manufacturing Innovation Institute (MII) mit Sitz in Cambridge, Massachusetts. Die Aufgabe von AFFOA besteht darin, die inländischen Produktionskapazitäten für neue technische Textilprodukte, wie z. B. textilbasierte tragbare Technologien, zu fördern.

Ein Hauptziel der Forschung ist die Verbesserung der Funktionalität von tragbaren Überwachungsgeräten, mit denen Soldaten zuweilen ausgestattet werden, um die Gesundheit und Sicherheit von Einsatzkräften aus der Ferne zu überwachen.

Ähnliche Geräte ermöglichen es Ärzten und anderem medizinischen Personal, den Gesundheitszustand von Patienten aus der Ferne zu überwachen, auch wenn sie nicht am Krankenbett liegen.

Diese Technologie gibt es zwar schon seit Jahren, aber sie erforderte bisher zu oft die Verlegung von Kabeln und ein insgesamt logistisch ungünstiges Design. Das könnte sich bald ändern.

„Wir haben die elektronischen Komponenten in einem kleinen Druckknopf oder einer Schnalle zusammengefasst, so dass die Schaltkreise für den Träger weniger hinderlich sind“, erläutert Lingampally die Innovationen des Teams, zu denen auch der 3D-Druck der Verbindungsprototypen mithilfe der Stereolithographie-Technologie gehört.

„Wir versuchen, die Designparameter zu optimieren, um die elektrische und mechanische Leistung dieser Steckverbinder zu verbessern“, fügt sie hinzu.

Um ihre Ziele zu erreichen, arbeitete die Gruppe mit James Dieffenderfer, Assistant Research Professor am NC State Department of Electrical and Computer Engineering, zusammen. Das Team führte eine Vielzahl elektrischer Anschlüsse und Verbindungen wie leitende Fäden, Epoxidharz und Lötmittel durch textile Materialien, die mit starren elektronischen Geräten ausgestattet waren.

Außerdem testeten sie die Komponenten auf ihre Kompatibilität mit Standardverbindungen für digitale Geräte wie USB 2.0 und I2C.

Letztendlich hofft Lingampally, dass ihre Arbeit dazu beitragen wird, dass tragbare Technologien nicht nur einfacher und bequemer zu benutzen sind, sondern auch zu einem niedrigeren Preis erhältlich sind.

„Ich würde gerne sehen, wie sie skaliert und in Massenproduktion hergestellt werden, damit sie für jede Branche kostengünstig eingesetzt werden können“, erklärt sie.

Die Arbeit ihres Teams verdeutlicht jedoch auch die weitreichenden Grenzen der Forschung im Bereich intelligenter Textilien, die weit über Mode und Komfort hinausgehen.

Die Grenzen der Textilforschung erweitern
Die Arbeit von Suh und Lingampally ist nur die jüngste wegweisende Forschungsarbeit des Wilson College of Textile, mit der kritische Probleme in der Textilindustrie und darüber hinaus gelöst werden sollen.

"Die ständigen Fortschritte bei Technologie und Materialien bieten der Textilindustrie ein immenses Potenzial, um positive Veränderungen in verschiedenen Bereichen von der Mode bis zum Gesundheitswesen und darüber hinaus voranzutreiben", sagt Lingampally, eine Studentin im Masterstudiengang Textilien (M.S. Textiles), und verweist auf die Ermutigung, die sie in ihrem Studiengang erfährt, um bei der Festlegung und Weiterentwicklung ihrer Forschung innovativ und kreativ zu sein.

Im Promotionsprogramm für Faser- und Polymerwissenschaften, mit dem Suh arbeitet, konzentrieren die Kandidaten ihre Forschung auf eine scheinbar endlose Reihe von MINT-Themen, die, um nur einige zu nennen, von Forensik über medizinische Textilien und Nanotechnologie bis hin zu intelligenter Wearable Technology reichen.

In diesem Fall, so Suh, war die Forschung mit „unerwarteten Herausforderungen“ verbunden, die an jeder Ecke faszinierende Anpassungen“ erforderten. Letztendlich führte es aber zu Durchbrüchen, die in der Branche der Wearable Technologies bisher nicht zu beobachten waren, und das Interesse anderer Forscher außerhalb der Universität und auch privater Unternehmen weckten.

"Dieses Projekt war von seiner Art her recht experimentell, da es bisher keine Forschung gab, die auf die gleichen Ziele ausgerichtet war", so Suh.

Inzwischen hat das Team Tests zur Haltbarkeit und Zuverlässigkeit seiner in Textilien integrierten tragbaren Steckverbindungen abgeschlossen. Letztlich möchte die Gruppe die Stichprobengröße für die Tests erhöhen, um die Ergebnisse zu festigen und zu validieren. Das Team hofft auch, neue, innovative Verbindungstechniken sowie andere 3D-Drucktechniken und Materialien zu analysieren, um die Wearable Technologies weiter zu verbessern.

Durch das Aufsticken von stromerzeugenden Garnen auf Stoff konnten Forscher ein selbstversorgendes, numerisches Touchpad und Bewegungssensoren in Kleidung einbetten. Die Technik bietet eine kostengünstige, skalierbare Methode für die Herstellung von tragbaren Geräten.
„Unsere Technik verwendet Stickerei, was ziemlich einfach ist - man kann unsere Garne direkt auf den Stoff aufbringen“, so der Hauptautor der Studie, Rong Yin, Assistenzprofessor für Textiltechnik, Chemie und Wissenschaft an der North Carolina State University. „Bei der Herstellung des Gewebes muss keine Rücksicht auf die tragbaren Geräte genommen werden. Man kann die stromerzeugenden Garne erst nach der Herstellung des Kleidungsstücks integrieren.“
 
In der Studie, die in der Zeitschrift Nano Energy veröffentlicht wurde, testeten die Forscher mehrere Designs für stromerzeugende Garne. Um sie so haltbar zu machen, dass sie der Spannung und Biegung beim Sticken standhalten, verwendeten sie schließlich fünf handelsübliche Kupferdrähte, die mit einer dünnen Polyurethanbeschichtung versehen waren. Dann nähten sie sie mit einem anderen Material - PTFE - auf Baumwollgewebe.

„Dies ist eine kostengünstige Methode zur Herstellung von tragbarer Elektronik mit handelsüblichen Produkten“, so Yin. „Die elektrischen Eigenschaften unserer Prototypen waren mit denen anderer Designs vergleichbar, die auf demselben Mechanismus zur Stromerzeugung basieren“.
Die Forscher stützten sich auf eine Methode zur Stromerzeugung, die als „triboelektrischer Effekt“ bezeichnet wird und bei der Elektronen, die von zwei verschiedenen Materialien ausgetauscht werden, wie statische Elektrizität nutzbar gemacht werden. Sie stellten fest, dass das PTFE-Gewebe in Kontakt mit den polyurethanbeschichteten Kupferdrähten die beste Leistung in Bezug auf Spannung und Stromstärke erbrachte, verglichen mit anderen getesteten Gewebetypen, darunter Baumwolle und Seide. Sie testeten ebenfalls die Beschichtung der Stickerei-Muster mit Plasma, um den Effekt zu verstärken.

„In unserem Muster gibt es zwei Schichten - eine ist der leitende, mit Polyurethan beschichtete Kupferdraht, die andere ist PTFE, und dazwischen befindet sich eine Lücke", so Yin. "Wenn die beiden nichtleitenden Materialien miteinander in Kontakt kommen, verliert das eine Material Elektronen und das andere erhält Elektronen. Verbindet man sie miteinander, so entsteht ein Strom.”

Die Forscher testeten ihre Garne als Bewegungssensoren, indem sie sie mit dem PTFE-Gewebe auf Jeansstoff bestickten. Sie platzierten die Stickereien auf der Handfläche, unter dem Arm, am Ellbogen und am Knie, um die elektrischen Signale zu verfolgen, die bei der Bewegung einer Person entstehen. Außerdem befestigten sie den bestickten Stoff an der Innensohle eines Schuhs, um seine Verwendung als Schrittzähler zu testen. Dabei stellten sie fest, dass die elektrischen Signale variierten, je nachdem, ob die Person ging, lief oder sprang.
Schließlich testeten sie ihre Garne in einem textilbasierten Ziffernblock am Arm, den sie anfertigten, indem sie Zahlen auf ein Stück Baumwollstoff stickten und dieses auf einem Stück PTFE-Gewebe befestigten. Je nach Zahl, die die Person auf dem Tastenfeld drückte, wurden unterschiedliche elektrische Signale erzeugt.

„Man kann unsere Garne auf Kleidung sticken, und wenn man sich bewegt, wird ein elektrisches Signal erzeugt, und diese Signale können als Sensor verwendet werden“, sagte Yin. „Wenn wir die Stickerei in einen Schuh einnähen, erzeugt sie beim Laufen eine höhere Spannung als beim bloßen Gehen. Wenn wir Zahlen auf den Stoff gestickt haben und sie drücken, wird für jede Zahl eine andere Spannung erzeugt. Das könnte als Interface genutzt werden.”

Da Textilprodukte unweigerlich gewaschen werden, testeten sie die Haltbarkeit ihres Stickdesigns in einer Reihe von Wasch- und Reibungstests. Nach dem Waschen mit der Hand, dem Durchwaschen mit Waschmittel und dem Trocknen im Ofen, stellten sie keinen Unterschied oder einen leichten Anstieg der Spannung fest. Bei dem mit Plasma beschichteten Prototyp wurde eine schwächere, aber immer noch bessere Leistung im Vergleich zum Originalmuster festgestellt. Nach einem Abriebtest konnte festgehalten werden, dass sich die elektrische Ausgangsleistung nach 10.000 Scheuerzyklen nicht signifikant verändert hatte.

Für die Zukunft planen sie, ihre Sensoren mit anderen Geräten zu integrieren, um weitere Funktionen hinzuzufügen. „Der nächste Schritt ist die Integration dieser Sensoren in ein tragbares System“, so Yin.

Die Studie mit dem Titel " Flexible, durable and washable triboelectric yarn and embroidery for self-powered sensing and human-machine interaction " wurde online in Nano Energy veröffentlicht. Zu den Koautoren gehören Yu Chen, Erdong Chen, Zihao Wang, Yali Ling, Rosie Fisher, Mengjiao Li, Jacob Hart, Weilei Mu, Wei Gao, Xiaoming Tao und Bao Yang. Die Finanzierung erfolgte durch die North Carolina State University über den NC State Faculty Research & Professional Development Fund und das NC State Summer REU-Programm.

Flexible Elektronik hat die Entwicklung von Sensoren, Aktoren, Mikrofluidik und Elektronik auf flexiblen, konformen und/oder dehnbaren Trägerschichten für tragbare, implantierbare oder einzunehmende Anwendungen ermöglicht. Diese Geräte haben jedoch im Vergleich zum menschlichen Gewebe sehr unterschiedliche mechanische und biologische Eigenschaften und können daher nicht in den menschlichen Körper integriert werden.

Ein Forscherteam an der Texas A&M University hat eine neue Klasse von Biomaterialtinten entwickelt, die die nativen Eigenschaften von hoch leitfähigem menschlichem Gewebe, ähnlich wie Haut, nachahmen, was für die Verwendung der Tinte im 3D-Druck unerlässlich ist.

Diese Biomaterial-Tinte nutzt eine neue Klasse von 2D-Nanomaterialien, die als Molybdändisulfid (MoS2) bekannt sind. Die dünnschichtige Struktur von MoS2 enthält Defektzentren, die es chemisch aktiv machen und in Kombination mit modifizierter Gelatine ein flexibles Hydrogel ergeben, vergleichbar mit der Struktur von Götterspeise.

„Die Auswirkungen dieser Arbeit sind für den 3D-Druck weitreichend", sagte Dr. Akhilesh Gaharwar, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Biomedizinische Technik und Presidential Impact Fellow. "Diese neu entwickelte Hydrogeltinte ist hochgradig biokompatibel und elektrisch leitfähig und ebnet den Weg für die nächste Generation von tragbarer und implantierbarer Bioelektronik.”¹

Die Tinte hat strukturviskose oder scherverdünnende Eigenschaften. Ihre nimmt Viskosität mit zunehmender Kraft ab, so dass sie im Inneren der Tube fest ist, aber beim Zusammendrücken eher wie eine Flüssigkeit fließt, ähnlich wie Ketchup oder Zahnpasta. Das Team hat diese elektrisch leitfähigen Nanomaterialien in eine modifizierte Gelatine eingearbeitet, um eine Hydrogeltinte mit Eigenschaften herzustellen, die für die Entwicklung von Tinte für den 3D-Druck wichtig sind.

„Diese 3D-gedruckten Geräte sind extrem elastisch und können zusammengedrückt, gebogen oder verdreht werden, ohne zu brechen", so Kaivalya Deo, Doktorand in der Abteilung für biomedizinische Technik und Hauptautor der Arbeit. „Darüber hinaus sind diese Geräte elektronisch aktiv, so dass sie dynamische menschliche Bewegungen überwachen können und den Weg für eine kontinuierliche Bewegungsüberwachung ebnen.”

Für den 3D-Druck der Tinte haben die Forscher im Gaharwar-Labor einen kostengünstigen, Open-Source 3D-Biodrucker mit mehreren Druckköpfen entwickelt, der voll funktionsfähig und anpassbar ist und mit Open-Source Tools und Freeware läuft. Dies ermöglicht es jedem Forscher, 3D-Biodrucker zu bauen, die auf seine eigenen Forschungsbedürfnisse zugeschnitten sind.

Die elektrisch leitfähige 3D-gedruckte Hydrogel-Tinte kann komplexe 3D-Schaltkreise erzeugen und ist nicht auf plane Designs beschränkt, so dass Forscher eine anpassbare Bioelektronik herstellen können, die auf patientenspezifische Anforderungen zugeschnitten ist.

Mit Hilfe dieser 3D-Drucker konnte Deo elektrisch aktive und dehnbare elektronische Geräte drucken. Diese Geräte weisen außergewöhnliche Dehnungsmessfähigkeiten auf und können für die Entwicklung anpassbarer Überwachungssysteme verwendet werden. Dies eröffnet ebenfalls neue Möglichkeiten für die Entwicklung dehnbarer Sensoren mit integrierten miroelektronischen Komponenten.

Eine der möglichen Anwendungen der neuen Tinte ist der 3D-Druck elektronischer Tätowierungen für Patienten mit Parkinson. Die Forscher stellen sich vor, dass ein gedrucktes E-Tattoo die Bewegungen des Patienten, einschließlich des Zitterns, überwachen kann.

Dieses Projekt wurde in Zusammenarbeit mit Dr. Anthony Guiseppi-Elie, Vizepräsident für akademische Angelegenheiten und Personalentwicklung am Tri-County Technical College in South Carolina, und Dr. Limei Tian, Assistenzprofessor für Biomedizintechnik an der Texas A&M University, durchgeführt.
Die Studie wurde vom National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, dem National Institute of Neurological Disorders and Stroke und dem Texas A&M University President's Excellence Fund finanziert. Ein vorläufiges Patent auf diese Technologie wurde in Zusammenarbeit mit der Texas A&M Engineering Experiment Station angemeldet.

¹ Die Studie wurde bei ACS Nano veröffentlicht.