Textination Newsline

Fraunhofer-Forschende haben ein ultrakompaktes Nah-Infrarot-Spektrometer entwickelt, das sich für die Analyse und Bestimmung von Textilien eignet. Durch die Kombination von Bildgebung, speziellen KI-Algorithmen (KI, Künstliche Intelligenz) und Spektroskopie lassen sich auch Mischgewebe zuverlässig erkennen. Die Technologie könnte das Recycling von Altkleidern optimieren und eine sortenreine Trennung von Altkleidern ermöglichen. Eine miniaturisierte Variante des Systems passt sogar in Smartphones. Dadurch könnten sich für Konsumenten zahlreiche neue Anwendungen im Alltag ergeben – vom Kleider-Check beim Shopping bis zur Prüfung auf Plagiate.

Infrarot-Spektrometer sind leistungsstarke Messinstrumente, wenn es darum geht, organische Materialien zerstörungsfrei zu analysieren. Jetzt hat das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden ein Spektralanalyse-System entwickelt, das Textilgewebe analysiert und erkennt. Auch Mischgewebe erkennt das System zuverlässig. Die Anwendungsmöglichkeiten reichen vom Materialcheck beim Kauf über das korrekte Reinigen der Kleidung bis hin zum nachhaltigen und sortenreinen Recycling. Das Spektrometer ist so klein, dass es sich in ein Smartphone integrieren lässt.

Um die nötige Zuverlässigkeit und Präzision bei der Bestimmung von Textilien zu erreichen, setzen die Fraunhofer-Forschenden auf die Nah-Infrarot-Spektroskopie (NIR). Das System arbeitet mit Wellenlängen zwischen 950 und 1900 Nanometer, also nah am sichtbaren Spektralbereich. Vorteile der Nah-Infrarot-Technik sind die einfache Handhabung und die vielfältigen Einsatzgebiete. »Wir kombinieren NIR-Spektroskopie mit Bildgebung und KI und erreichen so eine höhere Genauigkeit bei der Erkennung und Bewertung von Objekten«, erklärt Dr. Heinrich Grüger, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Abteilung Sensorische Mikromodule am Fraunhofer IPMS.

So funktioniert die Textilanalyse
Im ersten Schritt wird ein Bild des Kleidungsstücks mit einem herkömmlichen Kameramodul aufgenommen. Die KI wählt aus den Bildinformationen des Textilgewebes einen prägnanten Punkt, der vom Spektralanalyse-Modul untersucht werden soll. Das vom Stoff reflektierte Licht wird vom Spektrometer-Modul erfasst. Dort dringt es durch einen Eintrittsspalt, wird mit einem Kollimations-Spiegel in parallele Lichtstrahlen gebracht und über einen Scanner-Spiegel auf ein Gitter gelenkt. Je nach Ein- und Austrittswinkel teilt das Gitter die Lichtstrahlen in verschiedene Wellenlängen auf. Das vom Gitter reflektierte Licht wird über den Scanner-Spiegel auf einen Detektor geleitet, der das Licht als elektrisches Signal erfasst. Dann digitalisiert ein A/D-Wandler (Analog-Digital) die Signale, die schließlich im Signalprozessor ausgewertet werden. Das so entstehende spektrometrische Profil des Textilgewebes verrät durch Abgleich mit einer Referenzdatenbank, um welche Fasern es sich handelt. »Das optische Auflösungsvermögen liegt bei 10 Nanometer. Durch die hohe Auflösung kann das NIR-Spektrometer mithilfe von KI auch Mischgewebe wie etwa Kleidungsstücke aus Polyester und Baumwolle bestimmen«, sagt Grüger. Mit einer Fläche von 10 mal 10 und einer Höhe von 6,5 Millimeter ist das System so kompakt, dass man es problemlos in ein handelsübliches Smartphone integrieren könnte.

Recycling von Altkleidern
Eine wichtige Anwendung für das KI-gesteuerte Spektrometer sieht Grüger vor allem im Recycling. Nach Angaben des Statistischen Bundesamts wurden 2021 bei den privaten Haushalten in Deutschland rund 176 200 Tonnen Textil- und Bekleidungsabfälle gesammelt. Durch die NIR-Spektroskopie könnte das Recycling optimiert und der Altkleiderberg reduziert werden. Altkleiderverwerter hätten dann die Möglichkeit, Kleidung besser und schneller zu sortieren. Textilien, die noch intakt sind, gehen beispielsweise in den Second-Hand-Handel. Beschädigte Textilien werden sortenrein recycelt und die darin enthaltenen Fasern wie Leinen, Seide, Baumwolle oder Lyocell wiederverwendet. Hoffnungslos verschmutzte Textilwaren würden thermisch verwertet oder beispielsweise zu Dämmmatten verarbeitet. Die Spektroskopie-Technik erledigt das Bestimmen und Sortieren der Textilien genauer und deutlich schneller als ein Mensch.

Wird die NIR-Spektroskopie in ein Smartphone integriert, könnten auch Konsumenten von der Technik des Fraunhofer-Instituts profitieren. Beim Kauf von Kleidern zeigt ein schneller Check mit dem Smartphone, ob der teure Seidenschal auch wirklich aus Seide ist und das exklusive Kleid des Modelabels nicht vielleicht doch ein Plagiat, das sich durch eine andere Gewebemischung verrät. Und sollte einmal das Etikett mit den Reinigungshinweisen nicht mehr lesbar sein, hilft das Smartphone via Textilscanner, das Gewebe zu identifizieren und damit den passenden Waschgang einzustellen.

Lebensmittel-Check und Dermatologie
Für die Forschenden aus dem Fraunhofer IPMS sind auch Anwendungen außerhalb des Textilbereichs denkbar. Mit Spektrometer ausgestattete Smartphones können beim Kauf von Lebensmitteln wie Gemüse und Obst Auskunft über die Qualität geben. Außerdem wäre es denkbar, die Technik für die Untersuchung der Haut einzusetzen. Ein schneller Scan mit dem Handy-Spektrometer könnte besonders trockene oder fettige Stellen identifizieren. Selbst Anwendungen in der medizinischen Diagnose etwa bei der Untersuchung von Stellen auf der Haut, bei denen der Verdacht auf ein Melanom besteht, ließen sich realisieren, hier allerdings mit fachärztlicher Unterstützung.

Bei der Entwicklung kommt dem Fraunhofer-Team jahrzehntelange Erfahrung mit dem Bau von NIR-Spektrometern in MEMS-Technik (Micro-Electro-Mechanical Systems) zugute. »Über die Jahre ist es uns gelungen, die großen Spektroskopie-Geräte aus dem Labor mit MEMS-Technologie so zu verkleinern, dass sie auch für den mobilen Einsatz geeignet sind«, sagt Grüger. Er hatte bereits im Jahr 2000 gemeinsam mit dem heutigen Institutsleiter Prof. Harald Schenk das Scanning-Grating-Spektrometer erfunden, das noch heute als Einstieg in die MEMS-Spektroskopie gilt.

In zwei neuen Studien haben Forschende der North Carolina State University eine Serie von Textilfasern entwickelt und getestet, die ihre Form verändern und wie ein Muskel Kraft erzeugen können. In der ersten Studie untersuchten die Forscher den Einfluss der Materialien auf die Stärke und die Kontraktionslänge der künstlichen Muskeln. Die Forschungsergebnisse könnten helfen, die Fasern für verschiedene Anwendungen anzupassen.

In der zweiten Studie, der Proof-of-Concept-Studie, testeten die Forscher ihre Fasern als Gerüst für lebende Zellen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die als „Faserrobots“ bezeichneten Fasern möglicherweise zur Entwicklung von 3D-Modellen lebender, sich bewegender Systeme im menschlichen Körper verwendet werden könnten.

„Wir haben festgestellt, dass unser Faserrobot ein sehr geeignetes Gerüst für Zellen ist. Um eine geeignetere Umgebung für die Zellen zu schaffen, können wir die Frequenz und das Kontraktionsverhältnis verändern,“ sagte Muh Amdadul Hoque, Doktorand in Textiltechnik, Chemie und Wissenschaft an der NC State. „Dies waren Proof-of-Concept-Studien; letztendlich ist es unser Ziel, herauszufinden, ob wir diese Fasern als Gerüst für Stammzellen nutzen oder sie in zukünftigen Studien zur Entwicklung künstlicher Organe verwenden können.“
 
Die Forscher stellten die formverändernden Fasern her, indem sie einen ballonartigen Schlauch aus einem gummiähnlichen Material in eine geflochtene Textilhülle einkapselten. Wird der im Innern befindliche Ballon mit einer Luftpumpe aufgeblasen, dehnt sich der geflochtene Mantel aus, wodurch er sich verkürzt.

Die Forschenden maßen die Kraft und die Kontraktionsraten von Fasern aus verschiedenen Materialien, um den Zusammenhang zwischen Material und Performance zu verstehen. Sie stellten fest, dass stärkere Garne mit größerem Querschnitt eine stärkere Kontraktionskraft erzeugen. Darüber hinaus fanden sie heraus, dass das für die Herstellung des Ballons verwendete Material einen Einfluss auf die Stärke der Kontraktion und die erzeugte Kraft ausübte.
 
„Wir haben nachgewiesen, dass wir die Materialeigenschaften an die erforderliche Leistung des Geräts anpassen können“, so Xiaomeng Fang, Assistenzprofessorin für Textiltechnik, Chemie und Wissenschaft an der NC State. "Wir haben auch gezeigt, dass wir dieses Gerät klein genug machen können, so dass wir es potenziell bei der Herstellung von Textilien und anderen Textilanwendungen einsetzen können, unter anderem in Wearables und Hilfsmitteln."
 
In einer Folgestudie untersuchten die Forschenden, ob sie die formverändernden Fasern als Gerüst für Fibroblasten verwenden könnten, eine Zellart, die in Bindegeweben vorkommt und andere Gewebe oder Organe stützt.

„Die Dehnung soll die dynamischen Bewegungen des Körpers imitieren“, sagt Jessica Gluck, Assistenzprofessorin für Textiltechnik, Chemie und Wissenschaft an der NC State University und Mitautorin der Studie.

Die Wissenschaftler untersuchten die Reaktion der Zellen auf die Bewegung der formverändernden Fasern sowie auf die verschiedenen Materialien, die bei der Faserstruktur verwendet wurden. Sie fanden heraus, dass die Zellen in der Lage waren, die Flechthülle des Faserrobots zu bedecken und sogar zu durchdringen, stellten jedoch eine Abnahme der Stoffwechselaktivität der Zellen fest, wenn die Kontraktion des Faserrobots über ein bestimmtes Maß hinaus anhielt, im Vergleich zu einer Einheit aus demselben Material, die sie stationär hielten.

The researchers are interested in building on the findings to see if they could use the fibers as a 3D biological model, and to investigate whether movement would impact cell differentiation. They said their model would be an advance over other existing experimental models that have been developed to show cellular response to stretching and other motion, since they can only move in two dimensions.
Die Ergebnisse sollen weiter ausgebaut werden, um zu sehen, ob die Fasern als biologisches 3D-Modell verwenden werden können, und weiter, um zu untersuchen, ob die Bewegung die Zellteilung beeinflussen würde. Ihr Modell wäre ein Fortschritt gegenüber anderen experimentellen Modellen, die entwickelt wurden, um die Reaktion von Zellen auf zweidimensionale Dehnung und andere Bewegungen zu zeigen.
 
„Wenn man Zellen dehnen oder belasten will, legt man sie normalerweise auf eine Kunststoffschale und dehnt sie in eine oder zwei Richtungen“, sagte Gluck. „In dieser Studie konnten wir zeigen, dass die Zellen in dieser dynamischen 3D-Kultur bis zu 72 Stunden überleben können.“

„Dies ist besonders nützlich für Stammzellen“, fügte Gluck hinzu. „In Zukunft könnten wir untersuchen, was auf zellulärer Ebene bei mechanischer Belastung passiert. Man könnte Muskelzellen betrachten und sehen, wie sie sich entwickeln, oder analysieren, wie die mechanische Einwirkung zur Zellteilung beitragen würde.“

Die Studie „Effect of Material Properties on Fiber-Shaped Pneumatic Actuators Performance” wurde am 18. März in Actuators veröffentlicht. Emily Petersen war Mitautorin. Die Studie wurde durch eine Anschubfinanzierung gefördert, die Fang vom Department of Textile Engineering, Chemistry and Science der NC State University erhielt.

Die Studie mit dem Titel „Development of a Pneumatic-Driven Fiber-Shaped Robot Scaffold for Use as a Complex 3D Dynamic Culture System“ (Entwicklung eines pneumatisch angetriebenen faserförmigen Robotgerüsts zur Verwendung als komplexes dynamisches 3D-Kultursystem) wurde am 21. April online in Biomimetics veröffentlicht. Neben Gluck, Hoque und Fang gehörten Nasif Mahmood, Kiran M. Ali, Eelya Sefat, Yihan Huang, Emily Petersen und Shane Harrington zu den Co-Autoren. Die Studie wurde vom NC State Wilson College of Textiles, der Abteilung für Textiltechnik, -chemie und -wissenschaft sowie dem Wilson College of Textiles Research Opportunity Seed Fund Program finanziert.

Unter dem Leitthema „New Sensitivity“ steht textile Transformation im Mittelpunkt der Heimtextil Trends 24/25. Drei Ansätze zeigen Wege zu einer sensibleren Welt der Textilien auf: die pflanzenbasierte Herstellung von Textilien, die Unterstützung textiler Kreisläufe durch Technologie und die biotechnologische Verwendung natürlicher Inhaltsstoffe. Darüber hinaus kuratieren die Future Materials regenerative Materialien und Designs.
 
Nachdem im letzten Jahr bereits zirkuläre Lösungen im Fokus lagen, stellen die Heimtextil Trends 24/25 erneut transformative Textilinnovationen in den Mittelpunkt.
Unter dem Titel „New Sensitivity“ stehen neben ästhetischen Aspekten Innovationen und Veränderungen in der Zusammensetzung von Textilien im Mittelpunkt. „In diesem Zusammenhang bedeutet Sensibilität, dass bei Entscheidungen oder der Entwicklung eines Produkts Auswirkungen auf die Umwelt von Anfang an berücksichtigt werden. Zu verstehen, wie natürliche Ökosysteme funktionieren, und dem Gleichgewicht den Vorrang zu geben, ist der Schlüssel,“ so Anja Bisgaard Gaede von SPOTT trends & business.

Wie lässt sich die neue Sensibilität in der Lifestyle-Branche konkret umsetzen und was bedeutet eine sensible Herangehensweise für Design und Produkte? Auch der Einsatz von Artificial General Intelligence (AGI) hat das Potenzial, innovative Lösungen in der Textilindustrie zu bieten, birgt aber auch gesellschaftliche Herausforderungen. AGI erfordert eine sensible Herangehensweise, um Komplexität zu reduzieren, Kreativität zu fördern und bisher unentdeckte Lösungen in der Textilwelt und darüber hinaus zu finden.
     
„Mit den Heimtextil Trends 24/25: New Sensitivity ermutigen wir die Textilbranche, sich der Zukunft mit Bedacht und rücksichtsvoll zu nähern. Konkret sehen wir diesen Wandel in drei verschiedenen Strömungen für eine sensiblere Welt der Textilien: biotechnisch, pflanzenbasiert und technologisch,“ so Bisgaard Gaede weiter.

Plant-based: Textilien aus Pflanzen und pflanzlichen Nebenerzeugnissen
Die Fasern von Textilien auf Pflanzenbasis stammen von etwas Gewachsenem und werden nicht synthetisch hergestellt. Der nachhaltige Vorteil von Textilien auf pflanzlicher Basis ist, dass sie natürlichen Ursprungs sind und daher eher für die Rückführung in existierende Ökosysteme wiederverwendet werden können. Sie können in zwei Aspekte unterteilt werden. Der erste ist die Herstellung von Textilien aus Pflanzenkulturen. Neue widerstandsfähige Pflanzen wie Kaktus, Hanf, Abaka (Manilahanf), Seegras und Kautschuk bieten hier neue, nachhaltige Textillösungen. Aufgrund der mechanischen Extraktion können sie trotz Klimaveränderungen wachsen und benötigen bei der Entwicklung weniger Chemikalien. Die zweite Gruppe sind Textilien, die aus pflanzlichen Nebenprodukten hergestellt werden, d. h. aus Rohstoffen wie Bananen, Oliven, Kakis und Hanf, die bei der Produktion übrigbleiben.

Technological: Technologie und technische Lösungen, die Textilien verändern
Technologie kann die Umwandlung von Textilien durch verschiedene Methoden unterstützen: Upcycling und Recycling von Textilien, Textilkonstruktion und Textildesign. Aufgrund der jahrzehntelangen Produktion sind Textilien heute Materialien, die im Überfluss vorhanden sind. Die Entwicklung von Technologien zur Wiederverwertung von Textilabfällen und zum textilen Upcycling erhöht die zirkuläre Nutzung bereits hergestellter Textilien. Darüber hinaus sind auch alte Textilkonstruktionstechniken ein Weg zu nachhaltigen Lösungen. Durch die Verwendung von Stricktechniken für Möbelbezüge wird weniger Textilabfall produziert, demgegenüber können durch die Webtechnik mit wenigen farbigen Garnen optisch mehrere Farben erzeugt werden. Textile Design Thinking befasst sich mit kritischen Themen wie dem Energieverbrauch oder der Haltbarkeit von Naturfasern und verbessert diese durch technologische Weiterentwicklung.

Bio-engineered: entwickelt zur Verbesserung der biologischen Abbaubarkeit
Bei bio-technisch hergestellten Textilien verschmelzen pflanzliche und technische Textilien. Bio-Engineering schlägt eine Brücke zwischen Natur und Technik und verändert die Art und Weise, wie Textilien hergestellt werden. Sie können in zwei Richtungen unterteilt werden: vollständig biotechnisch hergestellte und biologisch abbaubare Textilien. Bei vollständig biotechnologisch hergestellten Textilien werden von der Natur inspirierte Strategien angewandt. Anstatt die Pflanzen anzubauen und daraus Fasern zu extrahieren, werden Proteine und Kohlenhydrate aus Mais, Gras und Rohrzucker oder Bakterien eingesetzt. Die Textilien werden durch einen biomolekularen Prozess hergestellt, bei dem Filamente entstehen, die zu Garnen werden. Der nachhaltige Vorteil von biotechnologisch hergestellten Textilien besteht darin, dass sie einige der gleichen Funktionalitäten wie synthetisch hergestellte Textilien haben können. Da sie jedoch natürlichen Ursprungs sind, können sie biologisch abgebaut werden. „Biodegradable Fibres“ können herkömmlichen Textilien wie Polyester zugesetzt werden und verbessern deren Fähigkeit, sich zu in der Natur vorkommenden Materialien zurückzuverwandeln und sich somit in natürlichen Umgebungen wie Wasser oder Erdboden biologisch abzubauen. Die biologisch verbesserten Textilien werden zwar nicht vollständig, aber bis zu 93 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Textilien biologisch abgebaut.

Heimtextil Trends 24/25: Farben
Ein sensibler Ansatz bei den Färbemethoden kommt in einer dynamischen und gleichzeitig subtilen Farbpalette zum Ausdruck. Sie wird mit natürlichen, aus der Erde stammenden Pigmenten erzeugt, während traditionelle Färbeverfahren durch innovative Biotechnologie auf die nächste Stufe gebracht werden. In dem Bestreben, Farben zu erschaffen, die Emotionen hervorrufen und gleichzeitig Werte beim Umweltschutz respektieren, erzeugen Farbbakterien durch Pigmentwachstum Farbtöne von beeindruckendem Reichtum und großer Tiefe.
               
Zu dieser neuen Sensibilität gehört auch die Akzeptanz natürlicher Farbverläufe, da die Farben mit der Zeit verblassen oder sich in eine neue Farbrichtung verwandeln können. Die Farbtöne der Heimtextil Trends 24/25 wurden von natürlichen Farben inspiriert, die aus Avocadokernen, Algen, lebenden Bakterien, antiken Pigmenten wie Roh Sienna und biotechnisch hergestelltem Indigo und Cochenille stammen. Der hohe Schwarzanteil in den meisten Farben ermöglicht eine breite Anwendung und eine größere Vielfalt an Kombinationen. Die kräftigen, gesättigten Akzente beleben Sinne und Stimmung. Im Gegensatz dazu stehen die erdenden Neutraltöne in verschiedenen Grauabstufungen, Terra und sogar dunklem Violett, die für Ruhe und Gelassenheit sorgen.
     
Future Materials: regeneratives Design
Wie werden regenerative Textilien und Materialien definiert? Regeneratives Design hat sich dem Ziel verschrieben, ganzheitliche kreative Praktiken zu entwickeln, die die Ressourcen wiederherstellen oder erneuern, eine positive Auswirkung auf die Umwelt haben und das Gedeihen von Gemeinschaften fördern. Für die Heimtextil 2024 kuratiert die Design-Zukunftsberatung FranklinTill ein globales Schaufenster hochmoderner Textilien und Materialien, um die Prinzipien des regenerativen Designs zu veranschaulichen und bahnbrechende Designer*innen, Erzeuger*innen und Hersteller*innen zu würdigen, die an der Spitze des regenerativen Designs stehen.
Der Trend Space auf der Heimtextil in Frankfurt vom 9. bis 12. Januar 2023 präsentiert diese Lösungen auf inspirierende Weise. Zusätzlich bieten die Heimtextil Trends Besuchern in Form von Workshops, Vorträgen und weiteren interaktiven Formaten Orientierung und Einblicke in die Zukunft von Wohn- und Objekttextilien.

Da die Menschheit mit dem Klimawandel und dem steigenden Meeresspiegel zu kämpfen hat, ist unsere kollektive Vorstellungskraft wichtiger denn je. Vor diesem Hintergrund war bcomp von Arbeit der Studenten des Instituts auf dem Rosenberg in St. Gallen und SAGA Space Architects fasziniert. Sie haben entwickelten eine außergewöhnliche Lösung für die ökologischen Herausforderungen, mit denen wir konfrontiert sind: das schwimmende Lebensraumprojekt "Blue Nomad".

‘Blue Nomad" ist ein solarbetriebenes Heim, das für ein komfortables Leben auf dem Meer konzipiert wurde. Es symbolisiert eine Zukunft, in der wir die sich verändernde Umwelt der Erde erforschen und uns an sie anpassen müssen. Inspiriert von den ersten polynesischen Nomadensiedlungen und ausgestattet mit Solarpaneelen zur Selbstversorgung, fördert das Habitat die Vision des Lebens und Reisens auf dem Wasser.

bcomp begeistert besonders an dem Projekt, dass das in London und Monaco ausgestellte Modell die eigenen ampliTex™ Flachsfasern enthält. Das Institut auf dem Rosenberg und SAGA entwickeln derzeit einen Plan für den Bau eines tatsächlichen Prototyps des schwimmenden Hauses. Es könnte aus einem strukturell optimierten Gewebe aus Flachsfasern hergestellt werden und die Zukunft organischer und regenerativer Hochleistungsmaterialien aufzeigen, die herkömmliche synthetische und fossile Technologien ersetzen.

Blue Nomad" ist nicht nur ein solitärer Lebensraum, sondern ein Konzept für eine neue Art von Gemeinschaft. Als modulare Blöcke konzipiert, können diese Lebensräume größere Gemeinschaften und Meeresfarmen bilden, die es den Bewohnern ermöglichen, Ressourcen zu teilen, während sie von einer Meeresfarm zur nächsten ziehen. Es ist eine beeindruckende Vision einer Zukunft, in der die Grenzen zwischen Land und Wasser verschwimmen und Nachhaltigkeit und Gemeinschaftsbildung im Mittelpunkt der menschlichen Siedlungen stehen.

Doch diese Vision ist nicht nur eine theoretische. Geplant ist eine Jungfernfahrt des "Blue Nomad" quer durch Europa, die ausschließlich mit Solarenergie betrieben wird und die Nachhaltigkeit der Ozeane, die Klimatologie und das Nomadentum der Zukunft fördert.

Dieses Projekt erinnert daran, was wir erreichen können, wenn wir Bildung, innovatives Design und Nachhaltigkeit miteinander verbinden. Der "Blue Nomad" repräsentiert die Zukunft - eine Zukunft, in der nachhaltige Materialien eine entscheidende Rolle beim Schutz unseres Planeten spielen.

Das Projekt "Blue Nomad" wurde auf der Londoner Design-Biennale 2023 sowie der Monaco Energy Boat Challenge ausgestellt, wo es Besucher in seinen Bann zog und große Begeisterung in der Öffentlichkeit auslöste.

Unter Einsatz von Hochtemperaturflammen entsteht eine Vielzahl von Materialien - doch wenn man ein Feuer entfacht, kann es schwierig werden zu kontrollieren, wie die Flamme mit dem zu bearbeitenden Material interagiert. Forscher haben nun eine Technik entwickelt, bei der eine moleküldünne Schutzschicht die Wechselwirkung zwischen der Hitze der Flamme und dem Material steuert - so wird das Feuer gebändigt und der Benutzer kann die Eigenschaften des verarbeiteten Materials präzise abstimmen.

„Feuer ist ein wertvolles technisches Werkzeug - schließlich ist auch ein Hochofen nur ein intensives Feuer“, sagt Martin Thuo, korrespondierender Autor eines Artikels über die Arbeit und Professor für Materialwissenschaften und Technik an der North Carolina State University. „Wenn man jedoch ein Feuer entfacht, hat man oft wenig Kontrolle über sein Verhalten.“

„Bei unserer Technik, die wir als inverse thermische Degradation (inverse thermal degradation ITD) bezeichnen, wird ein dünner Film im Nanomaßstab auf ein bestimmtes Material aufgebracht. Der dünne Film verändert sich in Reaktion auf die Hitze des Feuers und reguliert die Menge an Sauerstoff, die in das Material eindringen kann. Das bedeutet, dass wir die Geschwindigkeit steuern können, mit der sich das Material erwärmt - was wiederum die chemischen Reaktionen im Material beeinflusst. Im Grunde können wir genau einstellen, wie und wo das Feuer das Material verändert.“

„ITD funktioniert folgendermaßen. Sie beginnen mit Ihrem Zielmaterial, z. B. einer Zellulosefaser. Diese Faser wird dann mit einer nanometerdicken Schicht aus Molekülen beschichtet. Die beschichteten Fasern werden dann einer intensiven Flamme ausgesetzt. Die äußere Oberfläche der Moleküle verbrennt leicht, wodurch sich die Temperatur in der unmittelbaren Umgebung erhöht. Die innere Oberfläche der molekularen Beschichtung verändert sich jedoch chemisch und bildet eine noch dünnere Glasschicht um die Zellulosefasern. Dieses Glas begrenzt die Menge an Sauerstoff, die zu den Fasern gelangen kann, und verhindert, dass die Zellulose in Flammen aufgeht. Stattdessen schwelen die Fasern - sie brennen langsam von innen nach außen.“

„Ohne die Schutzschicht des ITD würde die Beflammung von Zellulosefasern nur zu Asche führen“, sagt Thuo. „Mit der Schutzschicht des ITD erhält man Kohlenstoffröhren.“

„Wir können die Schutzschicht so gestalten, dass die Menge des Sauerstoffs, die das Zielmaterial erreicht, angepasst wird. Und wir können das Zielmaterial so gestalten, dass es die gewünschten Eigenschaften aufweist.“

Die Forscher führten Probeläufe mit Zellulosefasern durch, um Kohlenstoffröhren im Mikromaßstab herzustellen. Sie konnten die Stärke der Kohlenstoffrohrwände steuern, indem sie die Größe der durch das Einbringen Zellulosefasern, mit denen sie begannen, kontrollierten, indem sie verschiedene Salze in die Fasern einbrachten (was die Verbrennungsgeschwindigkeit zusätzlich steuert) und indem sie die Sauerstoffmenge, die durch die Schutzschicht dringt, variierten.

"Wir haben bereits mehrere Anwendungsmöglichkeiten im Kopf, die wir in zukünftigen Studien untersuchen werden", sagt Thuo. "Wir sind auch offen für eine Zusammenarbeit mit dem privaten Sektor, um verschiedene praktische Anwendungen zu erforschen, wie z. B. die Entwicklung von technischen Kohlenstoffröhren für die Öl-Wasser-Trennung, was sowohl für industrielle Anwendungen als auch für die Umweltsanierung nützlich wäre.

Die Arbeit mit dem Titel „Spatially Directed Pyrolysis via Thermally Morphing Surface Adducts“ wurde in der Zeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht. Mitautoren sind Dhanush Jamadgni und Alana Pauls, Doktoranden am NC State, Julia Chang und Andrew Martin, Postdoktoranden am NC State, Chuanshen Du, Paul Gregory, Rick Dorn und Aaron Rossini von der Iowa State University und E. Johan Foster von der University of British Columbia.

Sich auf kurzfristige Gewinne zu fokussieren, ist nicht nachhaltig. Was können wir also tun, um in die richtige Richtung zu gehen? In allen Branchen die Widerstandsfähigkeit der Effizienz vorziehen.

Wir kaufen billige Produkte im Wissen, dass wir sie bald ersetzen müssen. Wir werfen gebrauchte Gegenstände weg, anstatt sie zu reparieren oder wiederzuverwenden. Arbeitgeber planen in Bezug auf finanzielle Quartale, obwohl sie hoffen, längerfristig bedeutend und stabil zu bleiben. Sogar Länder geben der kurzfristigen Wirtschaftsleistung den Vorrang und stellen das Bruttoinlandsprodukt (BIP) über jeden anderen Indikator.
 
Unsere globale Besessenheit von kurzfristiger wirtschaftlicher Effizienz - und die Frage, wie man sie überwinden kann - ist ein großes Rätsel, über das Minna Halme, Professorin für Nachhaltigkeitsmanagement, die meiste Zeit ihrer Karriere nachgedacht hat. Schon als Studentin an der Wirtschaftshochschule war sie irritiert, wie sehr sich ihr Unterricht auf kurzfristige Ziele konzentrierte.

„Es ging darum, mehr zu verkaufen, die Gewinne der Aktionäre zu maximieren, ökologisch zu wachsen - aber nicht wirklich zu fragen: Warum? Was ist der Zweck von all dem?“, so Halme.
„Selbst mir als 20-Jähriger kam das irgendwie seltsam vor.“

„Was versuchen wir hier zu tun? Versuchen wir, eine bessere Wirtschaft für alle oder für die meisten Menschen zu schaffen? Wessen Leben versuchen wir zu verbessern, wenn wir mehr unterschiedlich verpackte Joghurtsorten oder Kleidung verkaufen, die schnell unmodern ist?“

Halme hat ihre Karriere der Untersuchung dieser Fragen gewidmet. Heute ist sie eine Vordenkerin im Bereich innovativer Geschäftspraktiken und wurde unter anderem als Mitglied des finnischen Expertengremiums für nachhaltige Entwicklung und des Gremiums für globale Nachhaltigkeit der Vereinten Nationen anerkannt.

Ihr oberstes Ziel? Pionierarbeit zu leisten, zu forschen und für alternative Denkweisen einzutreten, die Werte wie langfristige wirtschaftliche Nachhaltigkeit und Widerstandsfähigkeit in den Vordergrund stellen - Alternativen, von denen sie und andere Experten glauben, dass sie allen einen dauerhaften, weitreichenden Nutzen bringen würden.
 
Wie traditionelle Indikatoren versagt haben
Ein Weg, in der unsere Vorliebe für wirtschaftliche Effizienz die Art und Weise prägt, wie wir den allgemeinen Wohlstand oder Status eines Landes messen, ist das BIP. Das ist nicht die Schuld des Erfinders des modernen Konzepts des BIP, der in den 1930er Jahren ausdrücklich davor warnte, es auf diese Weise zu verwenden.

„Das BIP war nie dazu gedacht, uns etwas über das Wohlergehen der Bürger eines Landes zu sagen", sagt Halme. Vor fünfundsiebzig Jahren war es jedoch leicht, beides miteinander zu verwechseln. Viele Länder waren eher bestrebt, ihren Wohlstand unter ihren Bürgern umzuverteilen, und Bevölkerungsumfragen zeigen, dass das BIP bis in die 1970er Jahre häufig mit dem allgemeinen Wohlstand korrelierte.

Doch mit dem Aufkommen eines zunehmend rücksichtsloseren Kapitalismus der freien Marktwirtschaft wurde dies immer weniger der Fall - und die Unzulänglichkeiten des BIP wurden umso deutlicher. „Wir befinden uns in einer Situation, in der die Verteilung des Reichtums mehr und mehr zu denjenigen wandert, die bereits über Kapital verfügen. Diejenigen, die es nicht haben, befinden sich in einer rückläufigen wirtschaftlichen Position", sagt Halme. Tatsächlich besitzen die reichsten 1 % der Weltbevölkerung heute fast die Hälfte des weltweiten Vermögens.

„Einige Regierungen, wie die finnische, berücksichtigen zwar Indikatoren für den ökologischen und sozialen Fortschritt. Aber keiner wird als so wichtig für die Entscheidungsfindung angesehen wie das BIP", sagt Halme - und das BIP gilt auch als Maßstab für den Erfolg einer Regierung. Diese Einstellung versucht Halme durch ihre Arbeit als Beraterin der finnischen Regierung zu Nachhaltigkeitspraktiken sowie durch ihre eigene Forschung zu ändern.

Wo die Industrie versagt hat
Unsere oft ausschließliche Konzentration auf die Ökonomie - und insbesondere darauf, so schnell und effizient wie möglich Gewinne zu erzielen - vermittelt kein klares Bild davon, wie es allen in einer Gesellschaft geht. Schlimmer noch, es hat die Industrie ermutigt, mit einer kurzfristigen Perspektive zu handeln, die zu längerfristigen Problemen führt.
 
Fast Fashion ist ein Beispiel dafür. Gegenwärtig sind die Lieferketten für Bekleidung - wie die der meisten Waren - linear. Die Rohstoffe kommen von einem Standort und werden Schritt für Schritt verarbeitet, in der Regel in verschiedenen Produktionsstätten auf der ganzen Welt, wobei Materialien, Energie und Transportmittel verwendet werden, die „billig“ sind, weil ihre hohen Umweltkosten nicht berücksichtigt werden.

Schließlich werden sie von einem Verbraucher gekauft, der das Produkt vorübergehend trägt, bevor er es wegwirft. Um die Gewinnspannen zu erhöhen, setzt die Branche auf schnell wechselnde Trends. Eine erschreckende Menge dieser Kleidungsstücke landet auf der Mülldeponie - einige davon, bevor sie überhaupt getragen worden sind.

Wie der COVID Lockdown gezeigt haben, ist diese Art linearer Lieferketten nicht belastbar. Und sie sind auch nicht nachhaltig.

Schätzungen zufolge ist die Modebranche derzeit die zweitgrößte Umweltverschmutzungsbranche der Welt und für bis zu 10 % aller Treibhausgasemissionen verantwortlich. Forscher der Aalto-Universität haben festgestellt, dass die Branche jährlich mehr als 92 Millionen Tonnen Deponieabfälle produziert. Bis 2030 wird ein Anstieg auf 134 Millionen Tonnen erwartet.
„Die Verringerung des CO2-Fußabdrucks der Modebranche ist nicht nur gut für die Umwelt, sondern auch für die langfristigen Aussichten der Branche selbst. Mit dieser Art von falschem Effizienzdenken untergräbt man die Grundlage unserer langfristigen Widerstandsfähigkeit sowohl für die Ökologie als auch für die Gesellschaft", sagt Halme.

Um aus dieser Falle herauszukommen, sagen sie und andere Forscher, ist ein kompletter Paradigmenwechsel erforderlich. „Es ist wirklich schwierig, nur an den Rändern zu feilen", sagt sie.
Auf dem Weg zur Resilienz

Mehrere Jahre lang erforschte und studierte Halme die ökologische Effizienz und suchte nach Möglichkeiten, wie Unternehmen mehr Produkte mit weniger Umweltbelastungen herstellen könnten. Doch allmählich wurde ihr klar, dass dies nicht die Antwort ist. Obwohl die Unternehmen durch Innovationen effizientere Produkte und Technologien entwickeln konnten, stieg ihr absoluter Verbrauch an natürlichen Ressourcen weiter an.

„Ich begann zu denken: Wenn nicht Effizienz, was dann?", sagt Halme. Sie erkannte, dass die Lösung in der Resilienz liegt, d. h. in der Förderung von Möglichkeiten, wie Systeme, einschließlich der Umwelt, in der Zukunft fortbestehen und sich sogar regenerieren können, anstatt sie in der Gegenwart weiter zu schädigen.
Die Lösung ist nicht „mehr von allem“, auch nicht von „nachhaltigen“ Materialien. Es ist weniger.

„Die einzige Möglichkeit, Fast Fashion zu verbessern, ist, sie zu beenden“, schreiben Halme und ihre Mitautoren. Das bedeutet, dass Kleidung so gestaltet werden muss, dass sie lange hält, dass Geschäftsmodelle die Wiederverwendung und Reparatur erleichtern und dass dem Upcycling Vorrang eingeräumt wird. Auch die Recyclingsysteme müssen überarbeitet werden, um festzustellen, wann ein Kleidungsstück wirklich ausgedient hat - insbesondere im Hinblick auf synthetische Mischfasern, die schwer zu trennen und abzubauen sind.

Dies würde die derzeitige Konzentration auf kurzfristige Einnahmen über den Haufen werfen. Und, so Halme, dies ist ein weiteres Beispiel dafür, dass wir bessere Möglichkeiten brauchen, um den Erfolg dieser Branchen zu messen, indem wir Faktoren wie Belastbarkeit und Nachhaltigkeit berücksichtigen - und nicht nur kurzfristige Gewinne.
Und obwohl jeder Einzelne etwas bewirken kann, müssen diese Veränderungen letztlich von der Industrie ausgehen.

„Textilien sind ein gutes Beispiel, denn wenn sie schnell kaputt gehen und man keine Reparaturwerkstatt in der Nähe hat oder wenn die Stoffe von so schlechter Qualität sind, dass es keinen Sinn macht, sie zu reparieren, dann ist das für die meisten Menschen ein zu großer Aufwand“, sagt Halme. Die meisten Lösungen sollten also von der Unternehmensseite kommen. Und das Ziel sollte sein, es den Verbrauchern sowohl modisch als auch einfach zu machen, ökologisch und sozial nachhaltige Entscheidungen zu treffen.
 
Was ist erforderlich?
Die ultimative Herausforderung, sagt Lauri Saarinen, Assistenzprofessor an der Aalto der Aalto-Universität für Wirtschaftsingenieurwesen, ist die Frage, wie man zu einem nachhaltigeren Modell gelangt und gleichzeitig die Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen erhält. Aber er glaubt, dass es Möglichkeiten gibt.

„Eine Möglichkeit besteht darin, die Produktion lokal zu halten. Wenn wir mit der kostengünstigen Offshore-Fertigung konkurrieren, indem wir die Dinge vor Ort und in einem geschlossenen Kreislauf herstellen, dann haben wir den doppelten Vorteil, indem wir lokal Arbeitsplätze schaffen und uns in Richtung einer nachhaltigeren Lieferkette bewegen“, sagt Saarinen. Wenn beispielsweise Kleidung näher am Verbraucher produziert würde, wäre es einfacher, Kleidungsstücke zur Reparatur zurückzuschicken oder gebrauchte Artikel zurückzunehmen und weiterzuverkaufen.

Lokale Produktion ist ein weiteres Beispiel dafür, dass wir die Methode, mit der wir den gesellschaftlichen Erfolg messen, neu überdenken müssen. Schließlich scheinen Outsourcing und Offshoring zugunsten einer billigeren Produktion kurzfristig die Kosten zu senken, aber dies geschieht zu Lasten dessen, was nach Ansicht von Halme und anderen Experten wirklich wichtig ist: eine längerfristige wirtschaftliche Tragfähigkeit, Widerstandsfähigkeit und Nachhaltigkeit. Es ist nicht einfach, zu dieser Art von Denken überzugehen. Dennoch sehen Saarinen und Halme vielversprechende Signale.
 
Für Finnland verweist Halme beispielsweise auf das Start-up-Unternehmen Menddie, das es leicht und bequem macht, Kleidungsstücke zum Reparieren oder Ändern wegzuschicken. Sie hebt auch die Bekleidungs- und Lifestyle-Marke Marimekko hervor, die ihre gebrauchten Kleidungsstücke in einem Online-Secondhand-Shop weiterverkauft, sowie das Label Anna Ruohonen, ein Konzept für Maßanfertigungen und Kunden auf Abruf, bei dem keine überschüssigen Kleidungsstücke entstehen.

Genau diese Art von Projekten findet Halme interessant - und sie hofft, mit ihrer Arbeit sowohl für diese zu werben als auch Pionierarbeit zu leisten.
„Momentan haben diese Veränderungen noch nicht zu einer echten Transformation geführt“, sagt sie. Auf globaler Ebene sind wir noch weit von einem echten Wandel hin zu längerfristiger Resilienz entfernt. Aber das könne sich, wie sie betont, schnell ändern. Schließlich hat sich das in der Vergangenheit auch bereits geändert: „Man muss sich nur ansehen, was uns hierhergebracht hat.“

„Das Streben nach Wirtschaftswachstum wurde in relativ kurzer Zeit - nur über etwa sieben Jahrzehnte - zu einem so dominanten Schwerpunkt“, sagt sie. Der Wandel hin zu einer längerfristigen Resilienz ist durchaus möglich. Wissenschaftler und Entscheidungsträger müssen nur ihr Hauptziel auf langfristige Widerstandsfähigkeit umstellen. Die Kernfrage ist, ob unsere mächtigsten Wirtschaftsakteure klug genug sind, dies zu tun.
 
Im Rahmen ihrer Forschung hat Halme Projekte geleitet, die Pionierarbeit für die Art von Veränderungen leisten, die die Modeindustrie vornehmen könnte. Gemeinsam mit ihrer Aalto-Kollegin Linda Turunen hat sie beispielsweise kürzlich ein Messverfahren entwickelt, mit dem die Modeindustrie die Nachhaltigkeit eines Produkts klassifizieren könnte. Dabei wird gemessen, wie haltbar das Produkt ist, wie leicht es recycelt werden kann und ob bei der Herstellung gefährliche Chemikalien verwendet werden - was den Verbrauchern bei der Kaufentscheidung helfen könnte. Ihre Kollegen haben vor kurzem eine Ausstellung kuratiert, in der gezeigt wurde, was wir in einer nachhaltigen Zukunft tragen könnten, z. B. eine Lederalternative, die aus weggeworfenen Blumenstecklingen hergestellt wird, oder modulare Designs, mit denen ein und dasselbe Kleidungsstück mehrfach verwendet werden kann, indem z. B. ein Rock in ein Hemd verwandelt wird.

Da all dies längerfristiges Denken, Innovation und Investitionen erfordert, ist die Industrie zurückhaltend, diese Veränderungen vorzunehmen, sagt Halme. Eine Möglichkeit, die Industrie zu einem schnelleren Wandel zu bewegen, ist die Regulierung. In der Europäischen Union beispielsweise müssen Unternehmen mit mehr als 500 Mitarbeitern aufgrund einer aktualisierten Reihe von Richtlinien nun über eine Reihe von Faktoren der Unternehmensverantwortung Bericht erstatten, die von den Auswirkungen auf die Umwelt bis zur Behandlung der Mitarbeiter reichen. Diese Vorschriften werden nicht nur dazu beitragen, Verbraucher, Investoren und andere Interessengruppen über die Rolle eines Unternehmens bei globalen Herausforderungen zu informieren. Sie werden auch dazu beitragen, Investitionsrisiken zu bewerten und abzuwägen, ob ein Unternehmen die notwendigen Maßnahmen ergreift, um langfristig finanziell stabil zu sein.

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.

Während einer Schwangerschaft geben regelmäßige Medizinchecks Auskunft über die Gesundheit und Entwicklung der Schwangeren und des Kindes. Doch die Untersuchungen bieten nur Momentaufnahmen des Zustands, was vor allem im Risikofällen gefährlich werden kann. Um in dieser sensiblen Phase bequemes und kontinuierliches Monitoring zu ermöglichen, plant ein internationales Forschungskonsortium die Technologie der Smart Textiles weiterzutreiben. Ein mit feiner Elektronik versehenes Pflaster soll Vitaldaten sammeln und auswerten können. Zusätzlich sollen die Sensoren in Baby-Kleidung integriert werden, um unter höchster Datensicherheit die Zukunft des medizinischen Monitorings von Neugeborenen zu verbessern.
 
Mit dem Beginn einer Schwangerschaft geht eine Phase intensiver Gesundheitsüberwachung des Kindes und der schwangeren Person einher. Herkömmliche Vorsorge-Untersuchungen mit Ultraschallgeräten zeichnen jedoch nur Momentaufnahmen des jeweiligen Zustands auf und erfordern vor allem bei Risikoschwangerschaften häufige Besuche bei Ärzt*innen. Mit Hilfe von neuartigen Wearables und Smart Textiles planen Forschende im EU-geförderten Projekt Newlife, ein dauerhaftes geburtsmedizinisches Monitoring im Alltag zu ermöglichen.
 
Ein Ziel des Konsortiums aus 25 Partner*innen ist es, ein biokompatibles, dehnbares und flexibles Patch zu entwickeln, um den Verlauf der Schwangerschaft und die Entwicklung des Embryos kontinuierlich zu überwachen. Ähnlich wie ein Pflaster soll das Patch auf der Haut der schwangeren Person angebracht werden, mittels miniaturisierter Sensoren (z.B. Ultraschall) permanent Vitaldaten aufzeichnen und via Bluetooth an ein Endgerät, beispielsweise ein Smartphone übermitteln.

Moderne Medizintechnik setzt schon seit einiger Zeit auf die Technologie der Smart Textiles und intelligente Wearables, um Patient*innen anstelle einer stationären Überwachung ein komfortables Dauer-Monitoring von Zuhause zu bieten. Am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikroelektronik IZM bringt das Team rund um Christine Kallmayer diese Technologie zur anwendungsbezogenen Umsetzung und profitiert dabei von langjähriger Erfahrung mit Integrationstechnologien in flexible Materialien. Beim integrierten Patch setzen die Forschenden auf thermoplastische Polyurethane als Basismaterialien, in die Elektronik und Sensorik eingebettet werden. Dadurch wird sichergestellt, dass das Tragegefühl einem handelsüblichen Pflaster entspricht statt einer starren Folie. Damit das geburtsmedizinische Monitoring unmerkbar und bequem für Schwangere und das Ungeborene verläuft, plant das Projektkonsortium innovative Ultraschallsensoren auf MEMS-Basis direkt in das PU-Material zu integrieren. Über unmittelbaren Hautkontakt sollen die miniaturisierten Sensoren Daten aufnehmen. Dehnbare Leiterbahnen aus TPU-Material sollen die Informationen dann zur Auswerteelektronik und schlussendlich zu einer drahtlosen Schnittstelle weiterleiten, so dass Ärzt*innen und Hebammen alle relevanten Daten in einer App einsehen können. Zusätzlich zum Ultraschall planen die Forschenden weitere Sensoren wie Mikrofone und Temperatursensoren sowie Elektroden einzubauen.
 
Auch nach der Geburt kann die neue Integrationstechnologie von großem Nutzen für die Medizintechnik sein: Mit weiteren Demonstratoren plant das Newlife-Team das Monitoring von Neugeborenen zu ermöglichen. Sensoren für ein kontinuierliches EKG, Überwachung der Atmung und Infrarot-Spektroskopie zur Beobachtung der Gehirn-Aktivität sollen in das weiche Textil eines Baby-Bodys und eines Mützchens integriert werden. „Besonders für Frühchen und Neugeborene mit gesundheitlichen Risiken ist das Remote-Monitoring eine sinnvolle Alternative zum stationären Aufenthalt und kabelgebundener Überwachung. Dafür müssen wir einen bisher unvergleichlichen Komfort der hauchdünnen Smart Textiles gewährleisten: Es darf keine Elektronik spürbar sein. Zusätzlich muss das gesamte Modul extrem zuverlässig sein, da die smarten Textilien Waschgänge problemlos überstehen sollten“, erklärt die Projekt-Verantwortliche am Fraunhofer IZM Christine Kallmayer.
 
Zur externen Überwachung wird im Projekt außerdem an Möglichkeiten geforscht, durch Kameradaten und Sensorik im Baby-Bett Aussagen über Gesundheitszustand und Wohlbefinden des Kindes abzuleiten. Sobald die Hardware-Basis von Patch, textiler Elektronik und Sensor-Bett aufgebaut und getestet ist, werden die Projektpartner*innen noch einen Schritt weitergehen: Mittels Cloud-basierter Lösungen sollen KI und maschinelles Lernen die Anwendung für medizinisches Personal erleichtern und höchste Sicherheit der Daten gewährleisten.

Elektronisch leitfähige Fasern werden bereits in intelligenten Textilien verwendet, doch in einem kürzlich veröffentlichten Forschungsartikel wurde nachgewiesen, dass ionisch leitfähige Fasern von zunehmendem Interesse sind. Die sogenannten Ionenfasern sind flexibler und haltbarer und entsprechen der Art von Leitfähigkeit, die unser Körper nutzt. In Zukunft könnten sie unter anderem für Textilbatterien, Textildisplays und Textilmuskeln verwendet werden.

Das Forschungsprojekt wird von dem Doktoranden Claude Huniade an der Universität Borås durchgeführt und ist Teil eines größeren Projekts, Weafing. Sein Ziel es ist, neuartige, noch nie dagewesene Kleidungsstücke für haptische Stimulation zu entwickeln, die flexible und tragbare textile Aktoren und Sensoren, einschließlich Steuerelektronik, als eine neue Art von textilbasierter Großflächenelektronik umfassen.

WEAFING steht für Wearable Electroactive Fabrics Integrated in Garments. Das Projekt startete am 1. Januar 2019 und endete am 30. Juni 2023.

Diese Wearables basieren auf einer neuen Art von Textilmuskeln, deren Garne mit elektromechanisch aktiven Polymeren beschichtet sind und sich zusammenziehen, wenn eine niedrige Spannung angelegt wird. Textilmuskeln bieten eine völlig neue und sehr unterschiedliche Qualität haptischer Empfindungen und sprechen auch Rezeptoren unseres taktilen Sinnessystems an, die nicht auf Vibration, sondern auf sanften Druck oder Schlag reagieren.

Da es sich um textile Materialien handelt, bieten sie zudem eine neue Möglichkeit, tragbare Haptik zu entwerfen und herzustellen. Sie können nahtlos in Stoffe und Kleidungsstücke integriert werden. Für diese neuartige Form der textilen Muskeln ist eine große Bandbreite an haptischen Anwendungsmöglichkeiten abzusehen: für Ergonomie, Bewegungscoaching im Sport oder Wellness, zur Unterstützung von Virtual- oder Augmented-Reality-Anwendungen in Spielen oder zu Trainingszwecken, zur Inklusion von sehbehinderten Menschen durch Informationen über ihre Umgebung, zur Stressreduktion oder sozialen Kommunikation, für anpassungsfähige Möbel, die Automobilindustrie und vieles mehr.

Im Projekt von Claude Huniade geht es darum, leitfähige Garne ohne leitfähige Metalle herzustellen.

„In meiner Forschung geht es um die Herstellung elektrisch leitfähiger Textilfasern - letzendlich von Garnen - durch die nachhaltige Beschichtung handelsüblicher Garne mit Nicht-Metallen. Die größte Herausforderung besteht darin, ein Gleichgewicht zwischen der Beibehaltung der textilen Eigenschaften und dem Hinzufügen der leitenden Eigenschaft zu finden“, so Claude Huniade.

Ionofasern könnten als Sensoren verwendet werden, da ionische Flüssigkeiten empfindlich auf ihre Umgebung reagieren. So können die Ionenfasern beispielsweise Änderungen der Luftfeuchtigkeit, aber auch jede Dehnung oder jeden Druck, dem sie ausgesetzt sind, wahrnehmen.

„Ionofasern könnten wirklich herausragen, wenn sie mit anderen Materialien oder Geräten kombiniert werden, die Elektrolyte benötigen. Ionofasern ermöglichen es, dass bestimmte Phänomene, die derzeit nur in Flüssigkeiten möglich sind, auch in der Luft auf leichtgewichtige Weise realisiert werden können. Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig und einzigartig, zum Beispiel für Textilbatterien, textile Displays oder textile Muskeln“, so Claude Huniade.

Weitere Forschung ist erforderlich
Es sind noch weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um die Ionenfasern mit anderen funktionellen Fasern zu kombinieren und spezielle textile Produkte herzustellen.

Wie unterscheiden sie sich von herkömmlichen elektronisch leitfähigen Fasern?

„Im Vergleich zu elektronisch leitfähigen Fasern unterscheiden sich Ionofasern dadurch, wie sie Elektrizität leiten. Sie sind weniger leitfähig, bringen aber andere Eigenschaften mit, die elektronisch leitfähigen Fasern oft fehlen. Ionofasern sind flexibler und haltbarer und entsprechen der Art der Leitung, die unser Körper verwendet. Sie entsprechen sogar besser als elektronisch leitende Fasern der Art, wie Elektrizität in der Natur vorkommt“, schloss er.

Derzeit liegt die Einzigartigkeit seiner Forschung in den Beschichtungsstrategien. Diese Methoden umfassen sowohl die Verfahren als auch die verwendeten Materialien.

Verwendung von ionischen Flüssigkeiten
Eine der Spuren, die er verfolgt, betrifft eine neue Art von Material als Textilbeschichtung, nämlich ionische Flüssigkeiten in Kombination mit handelsüblichen Textilfasern. Genau wie Salzwasser leiten sie Strom, aber ohne Wasser. Ionische Flüssigkeiten sind stabilere Elektrolyte als Salzwasser, da nichts verdunstet.

„Der Faktor der Verarbeitbarkeit ist eine wichtige Voraussetzung, da die Textilproduktion Fasern stark beansprucht, vor allem, wenn sie in größerem Maßstab eingesetzt werden. Die Fasern können auch zu Geweben oder Gewirken verarbeitet werden, ohne dass sie mechanisch beschädigt werden, wobei ihre Leitfähigkeit erhalten bleibt. Überraschenderweise ließen sie sich sogar glatter zu Stoffen verarbeiten als die handelsüblichen Garne, aus denen sie hergestellt werden“, erklärte Claude Huniade.

Forscher der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) haben faserähnliche Pumpen entwickelt, die es ermöglichen, Hochdruck-Fluidkreisläufe in Textilien einzuweben, ohne dass eine externe Pumpe benötigt wird. Weiche, stützende Exoskelette, thermoregulierende Kleidung und immersive Haptik können so von Pumpen angetrieben werden, die in den Geweben der Vorrichtungen selbst eingenäht sind.

Viele flüssigkeitsbasierte, tragbare Hilfstechnologien benötigen heute eine große und laute Pumpe, die unpraktisch - wenn nicht gar unmöglich - in die Kleidung integriert werden kann. Dies führt zu einem Widerspruch: Tragbare Geräte sind routinemäßig an untragbare Pumpen gebunden. Forscher des Soft Transducers Laboratory (LMTS) an der School of Engineering haben nun eine elegante und einfache Lösung für dieses Dilemma entwickelt.

„Wir präsentieren die weltweit erste Pumpe in Form einer Faser, also eines Schlauches, der seinen eigenen Druck und Durchfluss erzeugt“, so LMTS-Chef Herbert Shea. "Jetzt können wir unsere Faserpumpen direkt in Textilien und Kleidung einnähen und herkömmliche Pumpen hinter uns lassen." Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

Leicht, leistungsstark ... und waschbar
Sheas Labor hat eine lange Tradition in der zukunftsweisenden Fluidik. Im Jahr 2019 stellten sie die erste dehnbare Pumpe der Welt her.

„Diese Arbeit baut auf unserer vorherigen Generation von Soft-Pumpen auf“, erläutert Michael Smith, ein LMTS-Post-Doktorand und Hauptautor der Studie. „Das Faserformat ermöglicht es uns, leichtere und leistungsstärkere Pumpen herzustellen, die besser mit tragbarer Technologie kompat-bel sind.“

Die LMTS-Faserpumpen nutzen ein Prinzip namens Ladungsinjektion-Elektrohydrodynamik (EHD), um einen Flüssigkeitsstrom ohne bewegliche Teile zu erzeugen. Zwei schraubenförmige Elektroden, die in die Pumpenwand eingebettet sind, ionisieren und beschleunigen die Moleküle einer speziellen, nicht leitenden Flüssigkeit. Die Ionenbewegung und die Form der Elektroden erzeugen einen Netto-Fluidstrom, der geräuschlos und ohne Vibrationen arbeitet und nur ein handtellergroßes Netzteil und eine Batterie benötigt.

Um die einzigartige Struktur der Pumpe zu erreichen, entwickelten die Forscher ein neuartiges Herstellungsverfahren, bei dem Kupferdrähte und Polyurethanfäden um einen Stahlstab gewickelt und dann durch Hitze verschmolzen werden. Nachdem der Stab entfernt wurde, können die 2 mm dicken Fasern mit herkömmlichen Web- und Nähtechniken in Textilien integriert werden.

Die einfache Konstruktion der Pumpe hat eine Reihe von Vorteilen. Die benötigten Materialien sind preiswert und leicht verfügbar, der Herstellungsprozess lässt sich leicht skalieren. Da die Höhe des von der Pumpe erzeugten Drucks direkt mit ihrer Länge zusammenhängt, können die Schläuche auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten werden, um die Leistung zu optimieren und gleichzeitig das Gewicht zu minimieren. Die robuste Konstruktion kann auch mit herkömmlichen Waschmitteln gereinigt werden.

Vom Exoskelett zur virtuellen Realität
Die Autoren haben bereits gezeigt, wie diese Faserpumpen in neuen und spannenden tragbaren Technologien eingesetzt werden können. So können sie beispielsweise heiße und kalte Flüssigkeiten durch Kleidungsstücke zirkulieren lassen, die in Umgebungen mit extremen Temperaturen oder in therapeutischen Umgebungen zur Behandlung von Entzündungen und sogar zur Optimierung sportlicher Leistungen eingesetzt werden.

„Diese Anwendungen erfordern ohnehin lange Schläuche, und in unserem Fall sind die Schläuche die Pumpe. Das bedeutet, dass wir sehr einfache und leichte Flüssigkeitskreisläufe herstellen können, die bequem und angenehm zu tragen sind“, erklärt Smith.

In der Studie werden auch künstliche Muskeln aus Stoff und eingebetteten Faserpumpen beschrieben, die als Antrieb für weiche Exoskelette verwendet werden könnten, um Patienten beim Bewegen und Gehen zu helfen.

Die Pumpe könnte sogar eine neue Dimension in die Welt der virtuellen Realität bringen, indem sie das Temperaturempfinden simuliert. In diesem Fall tragen die Nutzer einen Handschuh mit Pumpen, die mit heißer oder kalter Flüssigkeit gefüllt sind, so dass sie die Temperaturveränderungen als Reaktion auf den Kontakt mit einem virtuellen Objekt spüren können.

Aufgepumpt für die Zukunft
Die Forscher sind bereits dabei, die Leistung ihres Geräts zu verbessern. "Die Pumpen funktionieren bereits gut, und wir sind zuversichtlich, dass wir mit weiteren Arbeiten weitere Verbesserungen in Bereichen wie Effizienz und Lebensdauer erzielen können", sagt Smith. Es wurde bereits damit begonnen, die Produktion der Faserpumpen zu erhöhen, und das LMTS plant auch, sie in komplexere tragbare Geräte einzubauen.

„Wir sind überzeugt, dass diese Innovation die Wearable Technology entscheidend verändern wird“, sagt Shea.