Forschungspublikationen

Initial situation and problem definition

The windpipe (trachea) fulfils two main functions: (I) it provides an airtight and mechanically stable passage from the larynx to the bronchial tree of the lungs for air transport, and (II) it facilitates the transport of mucus. Function (I) is performed by a tubular structure consisting of cartilage rings and longitudinal muscles, which provide lateral stability and longitudinal flexibility. This keeps the lumen open for breathing air. In addition, the inhaled air is moistened and warmed. Function (II) is a cleaning mechanism that is performed by a special mucous membrane layer (mucociliary respiratory epithelial layer). Here, mucus-producing cells and cells with tiny hairs (cilia) on their surface transport mucus and particles [2].

After an injury to the trachea, these functions are impaired by the insertion of a tracheal cannula. In Germany, 53,000 tracheal resections (replacement of part of the trachea) are performed annually [3]. A high proportion, around 40,000 patients, receive non-clinical care through a surgically created opening in the windpipe, known as a stoma [3]. This treatment has significant disadvantages: 1. poorer humidification and warming of the inhaled air, 2. poorer sense of smell and taste, 3. impaired voice formation, and 4. narrowing of the windpipe.

The gold standard for tracheal reconstruction is end-to-end anastomosis, in which part of the trachea is removed and the remaining ends are sutured together [4]. However, for this procedure to be performed, at least half of the trachea must remain in adults and one third in children, otherwise the operation cannot be carried out [5]. Nevertheless, complications occur in up to 20% of cases [6]. As the sutured ends of the trachea are subject to considerable force, this can lead to the suture tearing and the trachea shifting into the chest cavity. There is also a risk that the ends will not grow together properly, leading to scarred narrowing of the trachea, tracheitis, hoarseness, loss of voice and paralysis of the vocal cord nerves, as well as swallowing disorders [7]. Approaches investigated to date – including synthetic implants, constructs made from the patient's own tissue, donor tracheas and tissue engineering procedures – have not yet been able to replicate a functional cilia layer for mucus and particle transport. Neither this lack of transport function nor the high complication rate and shortage of suitable donor tissue currently allow for reliable use in cases of larger tracheal defects following clinically necessary resection. As a result, there is currently no implant available that can adequately replace the trachea.

It is therefore necessary to develop novel implants that mimic both the mechanical stability and the internal transport function of the natural trachea. The aim of the IGF project was therefore to develop a textile, functional and biomimetic tubular fabric. This fabric should have a cilia-like structure for active substance transport. At the same time, rigid, 3D-printed support structures, which can be integrated during the weaving process, were to protect the tubular fabric from collapsing. Both aspects serve to safely bridge missing or removed tracheal tissue. The ciliary movement should be achieved by electroactive piezoelectric PVDF fibres integrated into the tissue in the form of polarised naps. The ciliary movement is to be activated by the piezoelectric effect, which is triggered by the electric field generated by current-carrying conductors.

Development of tubular tissue structures

To produce a tubular fabric with cilia on the fabric surface, various variants were developed for a multi-layer fabric with naps pointing into the interior of the tube. The fabrics were manufactured using commercially available shuttle loom technology with a Jacquard unit for versatile adaptation of the fabric structure.

The tubular base structure was woven from polyester threads. Depending on the variant, cilia threads or a combination of cilia threads (piezoelectric PVDF or Nitinol threads) and conductor threads (silver-plated polyamide, Madeira HC40) were incorporated into the base fabric. The use of conductor threads was necessary when using electroactive PVDF multifilament threads or short fibres to stimulate cilia movement. When using one-way or two-way shape memory (SM) filaments as cilia material, no separate conductor filaments had to be incorporated into the fabric, as the SM filaments were directly contacted and conductive in order to initiate the movement of the cilia.

Development of biomimetic support structures

The human trachea has approximately 15 to 20 tracheal cartilages. They are horseshoe-shaped, have a diameter of 20 mm, with the open side facing dorsally (towards the back), and are approximately 4 mm wide and 1 mm thick. Their outer surface is flat and the inner surface is convex. Tracheal cartilages that can be integrated into the web (cartilage clips/support structures) should be manufactured using 3D printing and should be able to withstand a compression force of at least 1.2 N.

Based on this geometry, a total of 10 different models were developed. The differences in geometry resulted from variations in the leg geometry (C- and U-shaped), wall thickness and radius. The support structures were produced using photopolymer printing based on the stereolithography concept with an Objet 30 Prime from Stratasys in order to achieve the necessary geometric details. Exemplary structures are shown in Figure 1.

To examine the cartilage structures, clamps that meet the requirements for commercially available measurement technology were developed, designed and implemented using 3D printing. The clamps developed enable pressure loading in various anatomical positions of the cartilage segments (anterior-posterior & medial-lateral).

Integration of support structures into the tissue structure

Based on the previously presented woven tubular fabric, including the naps anchored in the base fabric on the fabric surface, a weaving structure was developed that could accommodate and fix the developed support structures at defined intervals in the base fabric. The integration of the support structures was achieved by weaving a fabric pocket over the entire circumference of the fabric. The dimensions (width and thickness) of the fabric pocket were adapted to those of the support structures, which were fixed between two layers of fabric and secured against slipping and "twisting out" of the structure. The number of support structures per defined fabric length was adjustable in terms of binding, and different clip widths could also be integrated into the tubular fabric by adjusting the fabric pocket size. The implemented demonstrator is shown in Figure 3. The inward-facing cilia and tissue pockets with the integrated support structures are clearly visible.

Textile physical analysis of the support and tissue structures as well as movement analysis

The average tensile strength of the human trachea is approximately 230 N [8]. The tubular tissue structures with integrated support structures exhibited a maximum tensile strength of approximately 4300 N. A yield strength of approximately 1400 N was determined. This means that the mechanical requirements of the human trachea are fully met. All support structures developed to prevent the trachea from collapsing exhibited a compression force greater than 1.2 N. In some cases, the target value was exceeded tenfold.

In addition, the influence of repeated or cyclic tensile loading on the position of the support structures integrated into the tissue was investigated. To this end, a load cycle test with 150 cycles was performed, in which a tensile load of up to a maximum force of 230 N (target value) was repeatedly applied, followed by relief to the initial position. A sample holder was developed and implemented for this purpose so that the tubular structure was loaded biomimetically across the entire cross-section. The results show that the support structures woven into the tissue pockets remained firmly fixed and did not "twist out" in the circumferential direction. The selected integration and fixation method thus ensures permanent positional stability under cyclic loading.

Motion analysis of the various patterns showed that PVDF fibres did not enable ciliary movement. However, the SM filaments with a two-way effect demonstrated repeatable ciliary movement. This approach can be used in the future to replicate the functioning of human cilia. As a further alternative approach, fabrics with parallel conductor threads were flocked with polyamide short fibres. Using an alternating electric field, intermittent cilia movement could also be simulated here.

Summary

A novel tracheal implant was developed at ITM that excellently replicates the macroscopic structure of the human trachea. The developed structure could be manufactured using commercially available shuttle weaving technology without any design modifications. To maintain a pressure-stable tubular structure, 3D-printed support structures were integrated into tissue pockets. Production can be carried out integrally and can be adapted to individual patients in terms of tissue length, support structure spacing, number of support structures and pressure stability. In addition, various concepts were investigated to replicate the microscopic structure in order to generate mass transport. The basis for this was the creation of polnop tissue and the use of piezoelectric PVDF fibres. It was found that PVDF nubs did not allow for movement on a microscopic scale. Ciliary movement was achieved using other actuator fibres such as nitinol fibres. Ciliary movement can also be achieved using flock fibres.

Acknowledgements

The project ‘Tubular tissues with rigid and flexible structural zones and mass transport for the biomimetic construction of the trachea (01IF22889N)’ is funded by the Federal Ministry for Economic Affairs and Energy as part of the ‘Industrial Collective Research (IGF)’ programme on the basis of a resolution passed by the German Bundestag.

References

[1]  Aleksanya, A.; Stoelben, E.: Laryngotracheal resection as an alternative to permanent tracheostomy. Pneumologie 73 (2019), No. 4, pp. 211–218. URLhttps://www.thieme-connect.com/products/ejournals/html/10.1055/a-0809-0232

[2]  Udelsma, Brooks; Mathisen, Douglas J.; Ott, Harald C.: A reassessment of tracheal substitutes—a systematic review. In: Annals of Cardiothoracic Surgery 7 (2018), No. 2, pp. 175–182. URLhttps://www.annalscts.com/article/view/16458/16661

[3]  BVMe d:  BVMed provides information on tracheotomy and laryngectomy care. URL https://www.bvmed.de/verband/presse/pressemeldungen/bvmed-informiert-ueber-tracheotomie-und-laryngektomie-versorgung. – Update date: 19 May 2016 – Review date: 15 October 2025

[4]  Canzan, F.; Aggazzotti Cavazza, E.; Mattioli, F.; Ghidini, A.; Bottero, S.; Presutti, L.: Step-by-Step Tracheal Resection with End-to-End Anastomosis. In: Ghidini, Angelo; Mattioli, Francesco; Bottero, Sergio; Presutti, Livio (eds.): Atlas of Airway Surgery :  ACham: Springer International Publishing, 2017, pp. 75–82

[5]  Weme, Richard D.; Detamore, Michael; Weatherly, Robert A.: Immunohistochemical characterisation of rabbit tracheal cartilages. In: Journal of Biomedical Science and Engineering 03 (2010), No. 10, pp. 1007–1013

[6]  Damian o, Giuseppe; Palumbo, Vincenzo Davide; Fazzotta, Salvatore; Curione, Francesco; Lo Monte, Giulia; Brucato, Valerio Maria Bartolo; Lo Monte, Attilio Ignazio: Current Strategies for Tracheal Replacement: A Review.  In: Life 11 (2021), No. 7, pp. 618. URLhttps://www.mdpi.com/2075-1729/11/7/618

[7]  Rettinge, Gerhard; Hosemann, Werner; Hüttenbrink, Karl-Bernd; Werner, Jochen Alfred: ENT Surgery : . 5th, completely revised edition. Stuttgart: Thieme, 2018

[8]  A. Berghau s: . In: Cardiac, Thoracic and Vascular Surgery 1987 (1987), Volume 1. URL https://epub.ub.uni-muenchen.de/6218/1/6218.pdf – Review date 2025-10-15

 

Ausgangssituation und Problemstellung

Die Luftröhre (Trachea) erfüllt zwei Hauptfunktionen: (I) Realisierung des luftdichten und mechanisch stabilen Übergangs vom Kehlkopf zum Bronchialbaum der Lunge für den Lufttransport und (II) Erleichterung des Schleimabtransports. Funktion (I) übernimmt. eine röhrenförmige Konstruktion aus Knorpelspangen und Längsmuskeln, die für die seitliche Stabilität sowie die Längsflexibilität sorgen. Auf diese Weise wird das Lumen für die Atemluft offengehalten. Zusätzlich wird beim Einatmen die Atemluft angefeuchtet und erwärmt. Funktion (II) ist ein Reinigungsmechanismus, der durch eine besondere Schleimhautschicht (mukoziliäre respiratorische Epithelschicht) erfüllt wird. Hierbei übernehmen schleimproduzierende Zellen und Zellen mit Flimmerhärchen (Zilien) auf der Oberfläche den Transport von Schleim und Partikeln [2].

Nach einer Verletzung der Trachea sind diese Funktionen durch das Einsetzen einer Trachealkanüle beeinträchtigt. So werden in Deutschland jährlich 53.000 Trachearesektionen (Ersetzen eines Teils der Trachea) durchgeführt [3]. Ein hoher Anteil, etwa 40.000 Patienten erhalten dabei eine außerklinische Versorgung durch eine operativ geschaffene Öffnung in der Luftröhre, ein sogenanntes Stoma [3]. Diese Versorgung ist mit erheblichen Nachteilen verbunden: 1. einer schlechteren Befeuchtung und Erwärmung der Atemluft, 2. eines schlechteren Geruchs- und Geschmackssinns, 3. einer fehlerhaften Stimmbildung, und 4. einer Verengung der Luftröhre.

Der Gold-Standard für die Rekonstruktion der Trachea ist die End-to-End Anastomose, bei der ein Teil der Luftröhre entfernt und die verbleibenden Enden miteinander vernäht werden [4]. Für die Anwendung muss aber bei Erwachsenen mindestens die Hälfte und bei Kindern ein Drittel der Trachea vorhanden bleiben, da die Operation sonst nicht durchgeführt werden kann [5]. Trotzdem treten in bis zu 20 % der operierten Fälle Komplikationen auf [6]. Da auf die vernähten Tracheaenden große Kräfte wirken, kann dies zum Ausreißen der Naht und zu einer Verschiebung der Luftröhre in den Brustraum führen. Auch besteht die Gefahr, dass die Enden nicht richtig zusammenwachsen und es zu narbigen Verengungen der Luftröhre, Luftröhrenentzündungen, Heiserkeit, Stimmverlust und Lähmung der Stimmlippennerven sowie Schluckstörungen kommt [7]. Bisher untersuchte Ansätze – darunter synthetische Implantate, Konstrukte aus patienteneigenem Gewebe, Spendertracheen und Tissue-Engineering-Verfahren – konnten bislang keine funktionsfähige Zilienschicht für den Schleim- und Partikeltransport nachbilden. Weder diese fehlende Transportfunktion noch die hohe Komplikationsrate und der Mangel an geeignetem Spendergewebe erlauben aktuell einen verlässlichen Einsatz bei größeren Tracheadefekten nach einer klinisch notwendigen Resektion. Deshalb steht derzeit kein Implantat als adäquater Tracheaersatz zur Verfügung.

Somit ist es notwendig, neuartige Implantate zu entwickeln, die sowohl die mechanische Stabilität, als auch die innere Transportfunktion der natürlichen Trachea nachahmen. Ziel des durchgeführten IGF-Projekts war es deshalb ein textiles, funktionelles und biomimetisches Schlauchgewebe zu entwickeln. Dieses Gewebe sollte eine zilienähnliche Struktur für den aktiven Stofftransport aufweisen. Gleichzeitig sollten rigide, 3D-gedruckte Stützstrukturen, die bereits während des Webprozesses integriert werden können, das Schlauchgewebe vor einem Kollaps schützen. Beide Aspekte dienen dazu, fehlendes oder entferntes Tracheagewebe sicher zu überbrücken. Die Zilienbewegung sollte hierbei durch elektroaktive piezoelektrische PVDF-Fasern realisiert werden, die in Form von Polnoppen in das Gewebe integriert wurden. Die Aktivierung der Zilienbewegung soll hierbei durch den piezoelektrischen Effekt erfolgen, der durch das erzeugte elektrische Feld von stromdurchflossenen Leitern aktiviert wurde.

Entwicklung tubulärer Gewebestrukturen

Zur Herstellung eines tubulären Gewebes mit Zilien an der Gewebeoberfläche wurden verschiedene Varianten für ein mehrlagiges Gewebe mit in das Schlauchinnere zeigende Polschlaufen entwickelt. Die Gewebe wurden mittels marktverfügbarer Spulenschützenwebmaschinentechnologie unter Verwendung einer Jacquardeinheit für eine vielseitige Anpassung der Gewebestruktur gefertigt.

Die schlauchförmige Grundstruktur wurde aus Polyesterfäden gewebt. Je nach Variante wurden Zilienfäden bzw. eine Kombination aus Zilienfäden (piezoelektrisches PVDF oder Nitinol-Fäden) und Leiterfäden (besilbertes Polyamid, Madeira HC40) in das Grundgewebe eingebunden. Der Einsatz von Leiterfäden war bei Verwendung von elektroaktiven PVDF-Multifilamentfäden oder Kurzfasern nötig, um die Zilienbewegung anzuregen. Beim Einsatz von Ein- bzw. Zwei-Weg-Formgedächtnis (FG)-Fäden als Zilienmaterial waren keine separaten Leiterfäden in das Gewebe einzubinden, da die FG-Fäden direkt kontaktiert wurde und leitfähig waren, um die Bewegung der Zilien einzuleiten.

Entwicklung biomimetischer Stützstrukturen

Die menschliche Luftröhre besitzt etwa 15 bis 20 Trachealknorpel. Sie sind hufeisenförmig, haben einen Durchmesser von 20 mm, wobei die offene Seite nach dorsal (zum Rücken gewandt) weist, und etwa 4 mm breit und 1 mm stark ist. Ihre Außenfläche ist plan und die nach innen weisende Oberfläche konvex. Webtechnisch integrierbare Trachealknorpel (Knorpelspangen/Stützstrukturen) sollten mittels 3D-Druck gefertigt werden und sollten einer Kompressionskraft von mind. 1,2 N standhalten.

Basierend auf dieser beschriebenen Geometrie wurden insgesamt 10 verschiedene Modelle entwickelt. Die Unterschiede der Geometrien ergaben sich aus der Variation in der Schenkelgeometrie (C- und U-förmig), Wandstärke und Radius. Die Erzeugung der Stützstrukturen wurde mittels Photopolymerdruck nach dem Stereolithographiekonzept mit einem Objet 30 Prime, Fa. Stratasys umgesetzt, um die notwendigen Geometriedetails realisieren zu können. Exemplarische Strukturen sind in Abbildung 1 dargestellt.

Zur Untersuchung der Knorpelstrukturen sind anforderungsgerechte Klemmen für marktverfügbare Messtechnik entwickelt, konstruiert und mittels 3D-Druck umgesetzt worden. Die entwickelten Klemmen ermöglichen eine Druckbelastung in verschiedenen anatomischen Lagen der Knorpelspangen (anterior-posterior & medial-lateral).

Integration der Stützstrukturen in die Gewebestruktur

Auf Basis der zuvor vorgestellten Bindung für das Schlauchgewebe inklusive der im Grundgewebe verankerten Schlaufen an der Gewebeoberfläche, wurde eine Bindung entwickelt, welche die entwickelten Stützstrukturen in definierten Abständen im Grundgewebe aufnehmen und fixieren konnte. Die webtechnische Integration der Stützstrukturen wurde durch das Weben einer Gewebetasche über den gesamten Schlauchumfang des Gewebes realisiert. Die Dimensionen (Breite und Dicke) der Gewebetasche wurden an die der Stützstrukturen angepasst, wodurch diese zwischen zwei Gewebelagen fixiert und gegen ein Verrutschen sowie ein „Herausdrehen“ aus der Struktur gesichert wurden. Die Anzahl der Stützstrukturen pro definierter Gewebelänge war bindungstechnisch einstellbar, ebenso konnten unterschiedliche Spangenbreiten durch Anpassung der Gewebetaschengröße in das Schlauchgewebe integriert werden. Der umgesetzte Demonstrator ist in 3 dargestellt. Deutlich erkennbar sind die nach innen zeigenden Zilien und Gewebetaschen mit den integrierten Stützstrukturen.

Textilphysikalische Analyse der Stütz- und Gewebestrukturen sowie Bewegungsanalyse

Die mittlere Reißkraft der menschlichen Luftröhre liegt bei ca. 230 N [8]. Die tubulären Gewebestrukturen mit integrierten Stützstrukturen wiesen eine Maximalzugkraft von ca. 4300 N auf. Dabei ist eine Streckgrenze von ca. 1400 N ermittelt worden. Somit werden die mechanischen Anforderungen der menschlichen Trachea vollständig erfüllt. Alle entwickelten Sützstrukturen zum Vermeiden des Zusammenfallens der Trachea wiesen eine höhere Kompressionskraft als 1,2 N auf. Teilweise wurde der Zielwert um das zehnfach übertroffen.

Darüber hinaus wurde der Einfluss wiederholter bzw. zyklischer Zugbelastung auf die Position der in das Gewebe integrierten Stützstrukturen untersucht. Dazu wurde ein Lastwechselversuch mit 150 Zyklen durchgeführt, bei dem eine Zugbelastung bis zu einer maximalen Kraft von 230 N (Zielkennwert) und eine anschließende Entlastung bis zur Ausgangsposition wiederholt wurde. Hierfür ist eine Probenaufnahme entwickelt und umgesetzt worden, damit die tubuläre Struktur biomimetisch über den gesamten Querschnitt belastet wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass die in die Gewebetaschen eingewebten Stützstrukturen stabil fixiert blieben und kein „Herausdrehen“ in Umfangsrichtung auftrat. Die gewählte Integrations- und Fixiermethode gewährleistet somit eine dauerhafte Positionsstabilität unter zyklischer Belastung.

Die Bewegungsanalyse der verschiedenen Muster hat ergeben, dass mittels PVDF-Fasern keine Zilienbewegung ermöglicht wurde. Jedoch konnte mittels der FGL-Fäden mit einem Zwei-Wege-Effekt eine wiederholbare Bewegung der Zilien gezeigt werden. Dieser Ansatz kann zukünftig dazu verwendet werden, die Funktionsweise menschlicher Zilien nachzustellen. Als weiteren alternativen Ansatz wurden Gewebe mit parallelen Leiterfäden mit Polyamid Kurzfasern beflockt. Mittels eines elektrischen Wechselfeldes konnte auch hier eine intermittierende Zilienbewegung nachgestellt werden.

Zusammenfassung

Am ITM wurde ein neuartiges Trachealimplantat entwickelt, welches die makroskopische Struktur der menschlichen Luftröhre hervorragend nachbildet. Die entwickelte Struktur war mittels marktverfügbarer Schützenwebtechnologie ohne eine konstruktive Anpassung herstellbar. Zum Erhalt einer druckstabilen tubulären Struktur sind 3D-gedruckte Stützstrukturen in Gewebetaschen integriert worden. Die Fertigung kann integral erfolgen und ist patientenindividuell anpassbar in Gewebelänge, Stützstrukturabstand, -anzahl und Druckstabilität. Darüber hinaus wurden zur Nachbildung der mikroskopischen Struktur verschiedene Konzepte untersucht, um einen Stofftransport zu erzeugen. Grundlage war die Erzeugung von Polnoppengeweben und der Verwendung von piezoelektrischen PVDF-Fasern. Hierbei hat sich herausgestellt, dass mittels PVDF-Noppen keine Bewegung im mikroskopischen Maßstab erzielbar war. Mittels anderer Aktorfasern wie Nitinolfasern konnte eine Zilienbewegung erzeugt werden. Zudem ist auch mittels Flockfasern eine Zilienbewegung erzeugbar.

Danksagung

Das Projekt „Tubuläre Gewebe mit rigiden und flexiblen Strukturzonen und Stofftrans-port zum biomimetischen Aufbau der Trachea (01IF22889N)“ wird im Rahmen des Programms „Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)“ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Literaturverzeichnis

[1] Aleksanyan, A. ; Stoelben, E.: Die laryngotracheale Resektion als Alternative zum permanenten Tracheostoma. In: Pneumologie 73 (2019), Nr. 4, S. 211–218. URL https://www.thieme-connect.com/products/ejournals/html/10.1055/a-0809-0232

[2] Udelsman, Brooks ; Mathisen, Douglas J. ; Ott, Harald C.: A reassessment of tracheal substitutes-a systematic review. In: Annals of Cardiothoracic Surgery 7 (2018), Nr. 2, S. 175–182. URL https://www.annalscts.com/article/view/16458/16661

[3] BVMed: BVMed informiert über Tracheotomie- und Laryngektomie-Versorgung. URL https://www.bvmed.de/verband/presse/pressemeldungen/bvmed-informiert-ueber-tracheotomie-und-laryngektomie-versorgung. – Aktualisierungsdatum: 2016-05-19 – Überprüfungsdatum 2025-10-15

[4] Canzano, F. ; Aggazzotti Cavazza, E. ; Mattioli, F. ; Ghidini, A. ; Bottero, S. ; Presutti, L.: Step-by-Step Tracheal Resection with End-to-End Anastomosis. In: Ghidini, Angelo; Mattioli, Francesco; Bottero, Sergio; Presutti, Livio (Hrsg.): Atlas of Airway Surgery : A Step-by-Step Guide Using an Animal Model. Cham : Springer International Publishing, 2017, S. 75–82

[5] Wemer, Richard D. ; Detamore, Michael ; Weatherly, Robert A.: Immunohistochemical characterization of the rabbit tracheal cartilages. In: Journal of Biomedical Science and Engineering 03 (2010), Nr. 10, S. 1007–1013

[6] Damiano, Giuseppe ; Palumbo, Vincenzo Davide ; Fazzotta, Salvatore ; Curione, Francesco ; Lo Monte, Giulia ; Brucato, Valerio Maria Bartolo ; Lo Monte, Attilio Ignazio: Current Strategies for Tracheal Replacement: A Review. In: Life 11 (2021), Nr. 7, S. 618. URL https://www.mdpi.com/2075-1729/11/7/618

[7] Rettinger, Gerhard ; Hosemann, Werner ; Hüttenbrink, Karl-Bernd ; Werner, Jochen Alfred: HNO-Operationslehre : Mit allen wichtigen Eingriffen. 5., vollständig überarbeitete Auflage. Stuttgart : Thieme, 2018

[8] A. Berghaus: Alloplastischer Trachealersatz. In: Herz-, Thorax- und Gefässchirurgie 1987 (1987), Band 1. URL https://epub.ub.uni-muenchen.de/6218/1/6218.pdf – Überprüfungsdatum 2025-10-15

 

1.       Einleitung

Unsere Gesellschaft befindet sich im Wandel: Ausbildung, Studium und Beruf, aber auch die Knappheit von Wohnraum in Ballungszentren stellen zunehmend steigende Ansprüche an die Mobilität der Bürgerinnen und Bürger [1]. Gleichzeitig erweist sich das Reisen hinsichtlich seiner ökologischen und ökonomischen Konsequenzen als nicht dauerhaft tragfähige Lösung [2]. Das Social Distancing in der COVID-19-Pandemie verschärfte die Separierung von Familien, Freunden, Vereinsmitgliedern und Kirchengemeinden. Nach [3] hatten 69 % der Befragten keine privaten Treffen während der Corona-Maßnahmen 2020. Gleichzeitig beschleunigte sich pandemiebedingt die Digitalisierung des sozialen Austauschs. Jede 2. Person im Alter 16-29 Jahre nutzte Videoanrufe, um sich mit Familie und Freunden auszutauschen [4]. Während diese Entwicklungen vor dem Hintergrund der Ressourceneffizienz begrüßenswert erscheinen, zeichnen sich gleichzeitig auch negative Auswirkungen der digitalen Kommunikation ab, die soziale Nähe fehlt: Videokonferenzen können reale Treffen nicht ersetzen; es fehlt an Spontanität, nonverbalem Austausch, Spiel und Emotionalität. Die sogenannte “Zoom-Fatigue” macht sich breit [5]; selten sind Personen gewillt, privat noch eine Videokonferenz mit Familie und Freunden abzuhalten.

Das Ziel des dreijährigen BMBF-Projektes SPIELEND ist die Entwicklung eines Systems, das körperlich-emotionale Immersion im Kontext einer spielerischen Interaktion auf Distanz zur Intensivierung eines Nähegefühls ermöglicht. Dabei werden bekannte Spielkonzepte genutzt, weiterentwickelt und um sensorische Qualitäten insbesondere durch polymeroptische Fasern (POF) und 4D-Textilien erweitert. So lässt sich erreichen nahestehende Menschen, die unter den sozialen Nebenwirkungen räumlicher Trennung leiden, zu unterstützen. Für die Erweiterung der sensorischen Qualitäten wird insbesondere auf smarte Textilien gesetzt. Im Fokus der Untersuchung stehen dabei die Einflussfaktoren der Repräsentation des Mitspielers, der multimodalen Stimulation, sowie der Spielelemente inklusive gemeinsamer Aktivitäten auf die soziale Präsenz.

2.         Material und Methoden

Zur physische Distanzinteraktion werden zwei Arten von smarten Textilien eingesetzt: Zum einen textile Emitter in Form von polymeroptischen Fasern (POF), zum anderen 4D-Textilien.

POF werden entweder als Endlichtfasern oder als Seitenlichtfasern konzipiert. Endlichtfasern leiten das eingekoppelte Licht von der lichtquellennahen Stirnseite der Faser zur lichtquellenabgewandten Stirnseite. Seitenlichtfaser hingegen emittieren zusätzlich Licht über die gesamte Mantelfläche der POF. Endlicht-POF können somit für den Einsatz einer Punktbeleuchtung und integriert in eine textile Struktur für den Einsatz einer Linienbeleuchtung eingesetzt werden. Seitenlicht-POF können als Linienbeleuchtung und integriert in eine textile Struktur als Flächenbeleuchtung eingesetzt werden (s. Abb. 1). Alle kommerziellen lichtleitenden Fasern aus Kunststoff bestehen aus zwei Polymerwerkstoffen. Zum einen Polymethylmethacrylat (PMMA) im Faserkern. Zum anderen einem Fluorpolymer im Fasermantel. Die kommerzielle POF ist daher durch PFAS belastet. Im Rahmens des Projektes werden mögliche alternative Mantelmaterialen eruiert und PFAS-freie POF mittels des Bikomponentenschmelzspinnverfahren hergestellt.

s. Abb. 1 Darstellung verschiedener Verwendungsoptionen von Endlicht-POF und Seitenlicht-POF, jeweils nicht in eine textile Struktur eingebettet (oben) und in eine textile Struktur (unten) eingebettet mit den folgenden Komponenten – 1: Lichtquelle, 2: Bündelung mittels Ferrule, 3: POF, 4: Bereich der Lichtemission

Gängige Materialien für textiler Aktuatoren sind PLA (Polylactid) und TPU (Thermoplastisches Polyurethan). Kritsch sind bzgl. textiler Aktuatoren die Adhäsionseigenschaften und Gewährleistung der Flexibilität des Textils. Für die Vibrationsverbreitungsstruktur wurden die Polymere TPU und PLA, sowie die zwei Textilien, Eurojersey und Buttinette betrachtet.

3.         Ergebnisse

Durch ein theoretisches Material-Screening anhand von optischen, thermischen und wirtschaftlichen Bewertungskriterien konnten die folgenden Polymere als mögliche Alternativen zum derzeitig verwendeten Fluormaterial gefunden werden: Polymethylpenten (PMP) und Polymilchsäure (PLA) – wobei ersteres in praktischen Vorversuchen vielversprechender scheint. Durch ein Material-Screening anhand von optischen, rheologischen und thermischen Bewertungskriterien konnten drei Arten von Polymethylpenten (PMP-Grades) zur Erprobung ausgewählt werden: TPX MX002, TPX DX820 und TPX RT18 – alle von Mitsui Chemicals, Inc., Tokio (Japan) (s. Abb. 2). Durch mehrfach iterative, experimentelle Analysen mittels des Bikomponentenschmelzspinnversuchen sowie anschließenden geometrischen, mechanischen und optischen Bewertungsmethoden konnten Erkenntnisse und Verbesserungen in der Herstellung PFAS-freier erzielt werden. So konnten PFAS-freie POF mit einer Rundheit von über 99 % mit den drei PMP-Grades und jeweils PMMA 7N von der Röhm GmbH, Darmstadt (Deutschland) produziert werden. Die erzielten feinheitsbezogenen Festigkeiten sind vergleichbar mit kommerziellen POF. Mit DX820 als Mantelmaterial, einer maximalen Temperatur des Mantelextruders von 255 °C und einem Durchmesser der Düsenlochkapillare von 3,5 mm wurden PFAS-freie POF (Durchmesser 500 µm) mit der niedrigsten Dämpfung produziert.

s. Abb. 2 Darstellung der verwendeten Granulate a) PMMA 7N als Kernpolymer, b) PMP TPX MX002 als Mantelpolymer und c) PMP TPX DX820 als Mantelpolymer

Für die Anwendung textiler Aktuatoren auf Textilien zeigte sich, dass die gängigen Materialien PLA und TPU mittels Fused Deposition Modeling (FDM) gedruckt werden können. TPU zeigte eine überlegene Haftung im Vergleich zu PLA und wurde aufgrund seiner besseren Adhäsionseigenschaften sowie seiner Flexibilität als geeignetes Material für smarte Textilien ausgewählt. Zur Identifikation geeigneter Materialkombinationen der Vibrationsverbreitungsstruktur wurden die Adhäsion an der Grenzfläche zwischen den Polymeren und den Textilien systematisch analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass PLA die besten Haftungseigenschaften auf Buttinette-Textilien aufweist, während TPU eine verbesserte Adhäsion auf Eurojersey-Textilien zeigt. Diese Materialkombinationen wurden als optimal für die weitere Entwicklung der Vibrationsverbreitungsstruktur bestimmt. Im Rahmen der Untersuchung textiler Aktuatoren wurden TPU und Eurojersey als geeignete Materialkombination identifiziert. Die Auswahl erfolgte basierend auf der weichen Beschaffenheit von TPU sowie dessen verbesserter Adhäsion auf Eurojersey. Diese Eigenschaften ermöglichen eine optimale Interaktion mit der textilen Struktur und sind besonders vorteilhaft für die Umsetzung eines taktilen Feedbacks (s. Abb. 3).

Abb. 3 Darstellung Vibrationsverbreitungsstruktur a) 3D-Modell der Struktur, b) 3D gedruckte Struktur auf vorgespanntes Textil, c) Struktur nach Lösen der Vorspannung im entspannten, gekrümmten Zustand

4.         Zusammenfassung

Das Projekt SPIELEND stellt auf zwei Ebenen einen innovativen Ansatz dar das Erlebnis von digitalen Spielen zur Distanzinteraktion zu erweitern und somit nahbarer zu machen (s. Abb. 4). So werden Vibrationsverbreitungsstrukturen auf Textilen exploriert, welche das Spielerlebnis physisch erlebbar zu machen. Somit kann ein Feedback direkt an den Spieler weitergegeben werden. Als beste Materialkombination wurde thermoplastisches Polyurethan auf einem Eurojersey-Textil eruiert. Zum anderen ermöglicht der Einsatz von lichtleitenden Fasern aus Kunststoff (polymeroptische Faser, POF) das Spielerlebnis durch realerlebbare visuelle Reize zu erweitern. Hierfür wurden PFAS-frei POF theoretisch konzipiert und praktisch mittels des Bikomponentenschmelzspinnverfahrens hergestellt, welche somit nicht durch fluorhaltige Stoffe kontaminiert sind.

s. Abb. 4 Smarte Weste mit POF Leuchtband, der Vibrationsverbreiterungsstruktur und der Ansteuerung durch das RoboHeart vom Projektpartner Augmented Robotics

5.         Danksagung

Wir danken dem Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) für die Förderung des Forschungsprojekts SPIELEND (FKZ: 16SV9098). Zudem möchten wir allen Beteiligten in diesem Projekt für ihre Beiträge und ihr Engagement danken.

 

6.         Literaturverzeichnis

[1]        Deutschland Bundeszentrale für Politische Bildung, Datenreport 2021 ein Sozialbericht für die Bundesrepublik Deutschland. 2021.

[2]        Europäische Kommission und Generaldirektion Mobilität und Verkehr, „EU transport in figures : statistical pocketbook 2021“. Publications Office, 2021. Zugegriffen: 11. Februar 2022. [Online]. Verfügbar unter: https://data.europa.eu/doi/10.2832/733836

[3]        „Statista: Häufigkeit von privaten Treffen pro Woche vor und während der Corona-Maßnahmen 2020“, 2020. https://bit.ly/3BlCgOj (zugegriffen 11. Februar 2022).

[4]        „Statista: Umfrage zu erhöhter Nutzung von Videoanrufen während der Corona-Krise nach Alter 2020“.

https://bit.ly/3HOOG3n (zugegriffen 11. Februar 2022).

[5]        J. N. Bailenson, „Nonverbal Overload: A Theoretical Argument for the Causes of Zoom Fatigue“, Technol. Mind Behav., Bd. 2, Nr. 1, Feb. 2021, doi: 10.1037/tmb0000030.

 

Abstract

Intelligente Textilien bieten ein vielversprechendes Potential, mit Anwendungen in Gesundheitswesen, Sportüberwachung und der Rehabilitation [GEE17; Edu17]. Diese Arbeit analysiert systematisch den aktuellen Forschungsstand, identifiziert Fortschritte und beleuchtet bestehende Herausforderungen. Basierend auf einer strukturierten Literaturrecherche der letzten 15 Jahre werden Entwicklungen in Sensorintegration, Energieversorgung und Benutzerakzeptanz untersucht. Die Ergebnisse zeigen Potential in der Gesundheitsüberwachung und Rehabilitation, während Einschränkungen in Messgenauigkeit, Haltbarkeit und Energieeffizienz bestehen. Zukünftige Forschung sollte sich vor Allem darauf fokussieren die Funktionalität der Produkte zu verbessern, bestehende technologischen Lücken zu schließen, sowie die Benutzerfreundlichkeit, Haltbarkeit und Ästhetik zu verbessern.

 

Einleitung

In intelligenten Textilien werden textile Materialien mit elektronischen Komponenten und Sensorik kombiniert, um physiologische Parameter kontinuierlich zu erfassen und auszuwerten [MH17;Che17]. In der folgenden Abbildung 1 ist eine allgemeine Systemarchitektur für intelligente Textilien dargestellt.

s. Abbildung 1: Allgemeine Systemarchitektur für intelligente Textilien

Diese interdisziplinären Technologien bieten Potenziale zur Verbesserung der Lebensqualität und der Gesundheitsversorgung, indem sie beispielsweise körperliche Aktivitäten oder Vitalparameter erfassen und auswerten [GEE17; Edu17; TCB+19]. Trotz des Fortschritts gibt es Herausforderungen in Bezug auf Messgenauigkeit, Benutzerfreundlichkeit, Waschbarkeit und langfristige Haltbarkeit [NSW16; Rao19].

Es gibt ein wachsendes Interesse an der Forschung zur Unterstützung der täglichen Aktivitäten des Menschen durch smarte tragbare Geräte. Ziel dieser Forschung ist es, die Belastung durch Behinderungen zu minimieren, das Auftreten chronischer Krankheiten zu reduzieren oder zu verhindern und die täglichen Aktivitäten sowie die sportliche Leistung des Menschen zu verbessern oder zu korrigieren [NSW16; Rao19].

Obwohl es Berichte über eine steigende Nachfrage nach smarten Wearables gibt, ist die Annahme und Verbreitung dieser Technologien relativ gering [ANH+18; Sul15]. Fast die Hälfte der Nutzer hört innerhalb der ersten sechs Monate auf, ihre Geräte zu verwenden, da sie möglicherweise nicht die von tragbaren Geräten versprochenen Vorteile erhalten [CA17; MJ17]. Deshalb ist ein tieferes Verständnis der Probleme und Herausforderungen von intelligenten tragbaren Geräten von entscheidender Bedeutung.

Indem der aktuelle Stand der Technik intelligenter Textilien systematisch zu analysiert wird, um und Potenziale sowie Einschränkungen aufzuzeigen, wird die Basis für tiefergehende Forschungsansätze geschaffen. Hierzu wurden 182 Primärstudien untersucht, die sich mit verschiedenen Aspekten intelligenter Textilien befassen, darunter Materialentwicklung, Energieversorgung und Sensorintegration.

 

Material und Methoden

Der methodische Ansatz basiert auf einer systematischen Literaturrecherche (SLR), um eine umfassende Analyse des aktuellen Forschungsstands zu gewährleisten. Dazu werden wissenschaftliche Publikationen aus den Datenbanken Web of Science, Scopus und IEEE ausgewertet. Die SLR-Methode wird in Anlehnung an Hanafizadeh et al. [HKK14] angewendet, um eine transparente und nachvollziehbare Vorgehensweise sicherzustellen. Ein zentraler Bestandteil dieses Ansatzes ist die Erstellung eines Review-Protokolls, das die Formulierung der Forschungsfrage, die Definition relevanter Suchbegriffe sowie die Auswahl- und Ausschlusskriterien der Studien regelt. In der folgenden Abbildung 2 ist ein solches Review-Protokoll dargestellt.

s. Abbildung 2: Review-Protokoll zur Durchführung der systematischen Literaturrecherche

 

Um eine umfassende Abdeckung des Forschungsstandes zu gewährleisten, wurde ein zweistufiger Suchprozess angewendet. Hierfür wurde die Suchstrategie von Busalim und Hussin verwendet [BH16]. Hierzu erfolgt zunächst eine automatische Suche mit gezielten Schlüsselwörtern wie "smart textiles", "wearable technology" und "sensor integration". Anschließend wird eine manuelle Vorwärts- und Rückwärtssuche nach Webster und Watson [Web02] durchgeführt, um relevante Literatur zu identifizieren, die nicht direkt durch die Schlüsselwortsuche erfasst werden.

Die Auswahl der Studien erfolgt nach klar definierten Kriterien. Berücksichtigt werden Arbeiten aus den letzten 15 Jahren, die empirische oder experimentelle Untersuchungen zu intelligenten Textilien enthalten. Ausschlusskriterien sind unter anderem theoretische Abhandlungen ohne praktische Anwendung oder Studien mit weniger als vier Seiten.

Die Analyse erfolgt anhand zentraler Bewertungskategorien, darunter Messgenauigkeit, Umweltfreundlichkeit, Benutzerfreundlichkeit, Haltbarkeit und Sicherheit. Die Daten werden systematisch extrahiert und in einer Excel-Datenbank kategorisiert, um eine vergleichende Analyse der untersuchten Technologien zu ermöglichen.

 

Ergebnisse

Die Analyse der 182 ausgewählten Studien zeigt signifikante Fortschritte intelligenter Textilien in verschiedenen Anwendungsbereichen. Besonders hervorzuheben sind Entwicklungen zur Überwachung des ganzen Körpers mittels eines universellen Ganzkörper-Motion-Capture-Systems [AGC21], einem intelligenten Kleidungsstück zur Unterstützung bei physiotherapeutischen Übungen [EKO+20], sowie ein multifunktionales E-Textil für Bewegungsüberwachung und Temperaturkontrolle [TFL+22].

In der Gesundheitsüberwachung ermöglichen textile Sensoren eine kontinuierliche Erfassung von Vitalparametern wie Atmung während verschiedener Aktivitäten wie Radfahren und Laufen [MDB+20; MCO+10]. Intelligente Textilien mit integrierten Elektroden zeigen vielversprechende Ergebnisse bei der präzisen Messung von EKG-Signalen. Beispielsweise wurde ein intelligentes Kleidungsstück entwickelt, das textile EKG-Trockenelektroden integriert, um genaue Herzsignale zu erfassen [LHS+22].

Eine vollständig textile Ärmelhülle mit integrierten textilen Elektroden wurde entwickelt, um EMG-Signale aufzuzeichnen und die Steuerung von myoelektrischen Prothesen zu verbessern. Diese Technologie zielt darauf ab, die Funktionalität von Hilfsmitteln für Personen mit Mobilitätseinschränkungen zu erhöhen [ASJ+22].

Im Bereich der Rehabilitation unterstützen intelligente Textilien Patienten bei der Wiederherstellung motorischer Fähigkeiten durch biomechanische Rückmeldungen und sensorbasierte Bewegungsanalysen [TTB+22].

Im Sportbereich zeigen intelligente Textilien durch die Integration von Bewegungssensoren und Muskelaktivitätsmessungen Potenzial zur Leistungsüberwachung. Beispielsweise wurde ein kapazitiver Textilsensor in Schuhsohlen integriert, um Kniegelenkswinkel während verschiedener Gehgeschwindigkeiten zu schätzen [CKM21]. Außerdem ermöglichen gestrickte Dehnungssensoren an Strumpfhosen die Erkennung von Kniebewegungsmustern, was zur Analyse sportlicher Aktivitäten beitragen kann [LMR19].

Trotz dieser Fortschritte bestehen weiterhin Herausforderungen in Bezug auf Energieversorgung, Haltbarkeit und Waschbarkeit. Eine stärkere Standardisierung und Kompatibilität der Systeme ist erforderlich, um eine breitere Akzeptanz zu erreichen [WBT+17; JGC+20].

Diskussion

Die Untersuchung der 182 Studien verdeutlicht das Potenzial intelligenter Textilien in verschiedenen Anwendungsbereichen. Besonders im Gesundheitswesen und in der Rehabilitation zeigen diese Technologien vielversprechende Ansätze zur Überwachung von Vitalparametern wie Herzfrequenz, Atmung und Körpertemperatur. Diese kontinuierliche Erfassung bietet nicht nur die Möglichkeit zur Frühdiagnose von Krankheiten, sondern auch zum effektiven Monitoring chronischer Erkrankungen. Die Integration von Sensoren in Textilien ermöglicht eine präzise Messung biophysikalischer Signale, was für die medizinische Überwachung entscheidend ist.

Im Bereich der Rehabilitation bieten intelligente Textilien Unterstützung bei der Wiederherstellung motorischer Fähigkeiten durch biomechanische Rückmeldungen und sensorbasierte Bewegungsanalysen. Tragbare Exoskelette mit textilen Sensoren könnten zukünftig physiotherapeutische Maßnahmen erheblich verbessern.

Trotz dieser Fortschritte bestehen jedoch weiterhin Herausforderungen. Die Energieversorgung bleibt ein kritischer Punkt, da viele Systeme noch nicht autark genug sind und regelmäßig aufgeladen werden müssen. Dies schränkt ihre Einsatzmöglichkeiten im Alltag ein. Ebenso ist die Haltbarkeit ein wesentlicher Faktor, insbesondere hinsichtlich der Waschbarkeit der Textilien. Eine verbesserte Materialauswahl könnte hier Abhilfe schaffen.

Ein weiterer Aspekt ist die Standardisierung innerhalb der Branche. Die Vielzahl an verfügbaren Systemen führt zu Kompatibilitätsproblemen, die eine breitere Akzeptanz behindern könnten. Um dies zu adressieren, sollten zukünftige Forschungsanstrengungen darauf abzielen, gemeinsame Standards zu entwickeln, die Interoperabilität gewährleisten.

Insgesamt zeigt sich, dass trotz bestehender Herausforderungen intelligente Textilien bereits jetzt wertvolle Unterstützung im Sport- und Gesundheitsbereich bieten können. Zukünftige Entwicklungen sollten sich darauf konzentrieren, diese Technologien weiter zu optimieren und ihre Alltagstauglichkeit zu erhöhen.

Danksagung

Der Autor bedankt sich bei der RWTH Aachen University sowie den betreuenden Dozenten für die Unterstützung und Anleitung während dieser Arbeit. Ein besonderer Dank gilt den Forschungseinrichtungen und Autoren, deren Studien zur Erstellung dieser Arbeit beigetragen haben.

Litteratrices

 

 

[AGC+21]

Ancans, A.; Greitans, M.; Cacurs, R.; Banga, B.; Rozentals, A.:

Wearable Sensor Clothing for Body Movement Measurement during Physical Activities in Healthcare

Sensors (Basel, Switzerland) Band:21 (2021) H. 6

[ANH+18]

Adapa, A.; Nah, F. F.-H.; Hall, R. H.; Siau, K.; Smith, S. N.:

 Factors Influencing the Adoption of Smart Wearable Devices

International Journal of Human–Computer Interaction Band:34 (2018) H. 5, S. 399–409

[ASJ+22]

Alizadeh-Meghrazi, M.; Sidhu, G.; Jain, S.; Stone, M.; Eskandarian, L.; Toossi, A.; Popovic, M. R.:

A Mass-Producible Washable Smart Garment with Embedded Textile EMG Electrodes for Control of Myoelectric Prostheses: A Pilot Study Sensors (Basel, Switzerland) Band:22 (2022) H. 2

[BH16]

Busalim, A. H.; Hussin, A. R.: Understanding social commerce:

A systematic literature review and direc-tions for further research

International Journal of Information Management Band:36 (2016) H. 6, S. 1075–1088

[CA17]

Canhoto, A. I.; Arp, S.:

Exploring the factors that support adoption and sustained use of health and fitness wearables

Journal of Marketing Management Band:33 (2017) 1-2, S. 32–60

[Che17]

Chen Zou, Yajie Qin, Chenglu Sun, Wei Li, Wei Chen:

Motion artifact removal based on periodical property for ECG monitoring with wearable systems (2017)

[CKM21]

Chhoeum, V.; Kim, Y.; Min, S.-D.:

Estimation of Knee Joint Angle Using Textile Capacitive Sensor and Artifi-cial Neural Network Implementing with Three Shoe Types at Two Gait Speeds: A Preliminary Investigation

Sensors (Basel, Switzerland) Band:21 (2021) H. 16

[EKO+20]

Eizentals, P.; Katashev, A.; Oks, A.; Semjonova, G.:

Smart shirt system for compensatory movement retraining assistance: feasibility study

Health and Technology Band:10 (2020) H. 4, S. 861–874

[HKK14]

Hanafizadeh, P.; Keating, B. W.; Khedmatgozar, H. R.:

A systematic review of Internet banking adoption

Telematics and Informatics Band:31 (2014) H. 3, S. 492–510

[Rad16]

RadioSurfVet:

RadioSurfVet - www, 2016, URL: https://vetsuisse.com/vetiml/

lernmodule/htmls/slide.html?radiosurfvet|radgeneral|sonography|son

obasics|2, Zugriff am 21.02.2023

[TMW+18]

Tang, X., Mones, Z., Wang, X., Gu, F.; Ball, A.:

A Review on Energy Harvesting Supplying Wireless Sensor Nodes for

Machine Condition Monitoring.

In Ma, Xiandong. Improving productivity through automation and computing.

Aufl. Piscataway, NJ: IEEE, 2018, S. 1–6

[Edu17]

Eduardo Lupiani, Jose M. Juarez, Jose Palma, Roque Marin:

Monitoring Elderly People at Home with Temporal Case-Based Reasoning (2017)

[Gee17]

Gayathri, K. S.; Easwarakumar, K. S.; Elias, S.:

Probabilistic ontology based activity recognition in smart homes using Markov Logic Network Knowledge-Based Systems

Band:121 (2017), S. 173–184

[JGC+20]

Jin, Y.; Glover, C. M.; Cho, H.; Araromi, O. A.; Graule, M. A.; Li, N.; Wood, R. J.; Walsh, C. J.: Soft Sensing Shirt for Shoulder Kinematics Estimation:

2020 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Paris, France, 2020/5/31 - 2020/8/31: IEEE, 2020

[LHS+22]

Lee, S.-Y.; Hung, Y.-W.; Su, P.-H.; Lee, I.-P.; Chen, J.-Y.:

Biosignal Monitoring Clothing System for the Acquisition of ECG and Respiratory Signals

IEEE Access Band:10 (2022), S. 66083–66097

[LMR19]

Li, Y.; Miao, X.; Raji, R. K.:

Flexible knitted sensing device for identifying knee joint motion patterns

Smart Materials and Structures Band:28 (2019) H. 11, S. 115042

[MCO+10]

Mitchell, E.; Coyle, S.; O'Connor, N. E.; Diamond, D.; Ward, T.:

Breathing Feedback System with Wearable Textile Sensors:

2010 International Conference on Body Sensor Networks, Singapore, Singapore, 2010/6/7 - 2010/6/9: IEEE, 2010

[MDB+20]

Massaroni, C.; Di Tocco, J.; Bravi, M.; Carnevale, A.; Lo Presti, D.; Sab badini, R.; Miccinilli, S.; Sterzi, S.; Formica, D.; Schena, E.:

Respiratory Monitoring During Physical Activities With a Multi-Sensor Smart Garment and Related Algorithms

IEEE Sensors Journal Band:20 (2020) H. 4, S. 2173–2180

[MH17]

Michael, B.; Howard, M.:

Activity recognition with wearable sensors on loose clothing

PloS one Band:12 (2017) H. 10, e0184642

[MJ17]

Marakhimov, A.; Joo, J.:

Consumer adaptation and infusion of wearable devices for healthcare

Computers in Human Behavior Band:76 (2017), S. 135–148

[NSW16]

Noor, M. H.; Salcic, Z.; Wang, K. I.-K.:

 Enhancing ontological reasoning with uncertainty handling for activity recognition

Knowledge-Based Systems Band:114 (2016), S. 47–60

[Rao19]

Rao, A. K.:

Wearable Sensor Technology to Measure Physical Activity (PA) in the Elderly Current Geriatrics Reports Band:8 (2019) H. 1, S. 55–66

[Sul15]

Sultan, N.:

Reflective thoughts on the potential and challenges of wearable 75 technology for healthcare provision and medical education

International Journal of Information Management Band:35 (2015) H. 5, S. 521–526

[TCB+19]

Talukder, M. S.; Chiong, R.; Bao, Y.; Hayat Malik, B.:

Acceptance and use predictors of fitness wearable technology and inten-tion to recommend Industrial Management & Data Systems

 Band:119 (2019) H. 1, S. 170–188

[TFL+22]

Tian, B.; Fang, Y.; Liang, J.; Zheng, K.; Guo, P.; Zhang, X.; Wu, Y.; Liu, Q.; Huang, Z.; Cao, C.; Wu, W.:

Fully Printed Stretchable and Multifunctional E-Textiles for Aesthetic Wearable Electronic Systems

Small (Weinheim an der Bergstrasse, Germany) Band:18 (2022) H. 13, e2107298

[TTB+22]

Tedesco, S.; Torre, O. M.; Belcastro, M.; Torchia, P.; Alfieri, D.; Khokhlova, L.; Komaris, S. D.; O'flynn, B.:

Design of a Multi-Sensors Wearable Platform for Remote Monitoring of Knee Rehabilitation

IEEE Access Band:10 (2022), S. 98309–98328

[WBT+17]

Wang, Q.; Baets, L. de; Timmermans, A.; Chen, W.; Giacolini, L.; Matheve, T.; Markopoulos, P.:

Motor Control Training for the Shoulder with Smart Garments

Sensors (Basel, Switzerland) Band:17 (2017) H. 7

[Web02]

Webster, W.:

Analyzing the Past to Prepare for the Future: Writing a Literature Review (2002)

 

 

Einleitung und Problemstellung

Im Zuge der notwendigen Etablierung nachhaltiger Lösungen besteht derzeit ein hoher Bedarf an hochbelastbaren und zugleich extrem leichten Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffverbunden (FKV) mit zusätzlichen Funktionalitäten. Insbesondere aktiv verformbare FKV mit strukturintegrierten Aktoren und Festkörpergelenken haben ein hohes Innovationspotenzial zur Realisierung komplexer 3D-Bewegungsaufgaben, für die herkömmliche Bewegungsmechanismen in Differentialbauweise meist eine lineare Kopplung mehrerer konventioneller Gelenke und dezentraler Antriebe erfordern, die eine hohe Massenträgheit und demzufolge einen hohen Energieverbrauch bedingen.

Zur Ausnutzung des Leichtbaupotenzials von FKV besteht daher ein hoher Bedarf an funktionsintegrierten textilen Verstärkungsstrukturen, die gleichzeitig als bedarfsgerechte Funktions- und Festigkeitsträger fungieren. Daraus herstellbare, aktiv verformbare FKV-Bauteile kommen zunehmend in industriellen Anwendungen zum Einsatz, u. a. im Maschinen‑ und Anlagenbau (z. B. Soft Robotik [1], Leichtbauroboterarme), der Medizintechnik (z. B. aktive Orthesen und Prothesen, Endoskopie-Endeffektoren), im Schiff‑ und Automobilbau (z. B. adaptive Spoiler, aktiv verformbare Hydrofoils) sowie in der Luftfahrt (z. B. morphing wings [2 – 4]). Sie weisen eine aktiv geometrisch-veränderbare äußere Form auf, die i. d. R. über eine steuerbare Modulation der inneren Morphologie des Werkstoffes oder durch strukturintegrierte Aktoren, z. B. nach thermischer Aktivierung kontrahierende Drähte aus Formgedächtnislegierung (FGL) [5], einstellbar ist. Derzeit verfügen diese Lösungen allerdings nur über Festkörpergelenke mit einem Freiheitsgrad und können damit lediglich einfache Verformungen ausführen [6 – 8]. Komplexere 3D-Bewegungen sind deshalb nur durch eine kinematische Kopplung erreichbar, d. h. durch die in Bauteillängsrichtung versetzte Anordnung mehrerer einachsiger Festkörpergelenke. Bisher sind keine geeigneten Auslegungsstrategien zur Umsetzung komplexer, mehrachsiger Bewegungen von duroplastischen 3D-FKV-Bauteilen durch textilintegrierte, mehrachsige Festkörpergelenke vorhanden.

Zielsetzung

Das Ziel des IGF-Forschungsprojektes 21969 BR war die simulationsgestützte Entwicklung, Umsetzung und Erprobung gestrickter schlauchförmiger Verstärkungshalbzeuge mit mehrachsigem Festkörpergelenk sowie strukturintegrierten Aktor- und Energieversorgungsnetzwerken zur Herstellung definiert und aktiv verformbarer 3D-FKV-Integralbauteile mit Duromermatrix, die mindestens zwei Freiheitsgraden aufweisen.

Derartige 3D-FKV-Bauteile mit biegeweichem Festkörpergelenk besitzen, analog zu biologischen Vorbildern, eine segmentierte Struktur mit zwei durch das Gelenk elastisch miteinander gekoppelten starren Segmenten (vgl. Abbildung 1). Die bei Aktivierung der FGL-Aktoren infolge der Kontraktion verrichtete Verformungsarbeit generiert ein Biegemoment um die jeweilige Gelenkachse und induziert somit entsprechende Relativbewegungen der starren FKV-Segmente.

Die wesentlichen Herausforderungen im Projekt sind die bedarfsgerechte Auslegung geeigneter Deformationsbereiche des Festkörpergelenks sowie die integrale Fertigung von funktionalisierten 3D-Verstärkungshalbzeugen als schlauchförmige Mehrlagengestricke. In diese sollen im Strickprozess sowohl FGL-Drähte als auch ein für deren elektrisch induzierte Aktivierung erforderliches Energieversorgungsnetzwerk aus leitfähigem Garnmaterial simultan integriert werden. Die FGL-Aktoren sind dabei so anzuordnen, dass das mehrachsige Festkörpergelenk mindestens zwei im Deformationsbereich konzentrierte Freiheitsgrade aufweist, die Biegeverformungen um zwei Hauptgelenkachsen zulassen. Zudem sind sie direkt während des Strickprozesses so zu verarbeiten, dass sie form‑ und kraftschlüssig in der Struktur eingebunden sind und somit eine maximale, reproduzierbare Auslenkung der aktiv verformbaren FKV-Bauteile ermöglichen.

Ergebnisse

Simulationsgestützte Strukturauslegung

Im Projekt erfolgte zunächst die Präzisierung der zu erfüllenden Anforderungen an relevante aktiv verformbare FKV-Integralbauteile ohne externe Motoren in den anvisierten Anwendungsbereichen. Nach Ableitung der Anforderungen an integral gefertigte, funktionalisierte 3D-Textilhalbzeuge mit strukturintegrierten FGL-Aktoren erfolgte eine simulationsgestützte Analyse der maximal erreichbaren Verformungen von aktiv verformbaren FKV-Bauteilen an festgelegten Funktionsmustern mittels Finiter Element Methode (FEM). Dazu wurde das Woodworth-Kaliske-FGL-Materialmodell verwendet [9], das in der Lage ist, den Formgedächtniseffekt der eingesetzten FGL-Aktoren durch direkte Vordehnung abzubilden. Aufbauend auf den Ergebnissen der FEM-Analyse wurden bindungstechnische Ansätze zur integralen Realisierung der Funktionsmuster und insbesondere zur Lösung folgender Aufgaben entwickelt:

1. Gestaltung von biegeweichen Gelenk‑ bzw. Deformationsbereichen für eine höchstmögliche Verformung der FKV-Bauteile.
2. Stricktechnische Einbindung der FGL-Aktoren für eine hinreichende form- und kraftschlüssige Fixierung und somit maximale Auslenkung der FKV-Bauteile.
3. Stricktechnische Einbindung der elektrisch leitfähigen Garne für eine in-situ Kontaktierung, d. h. zuverlässige, stoffschlüssige elektrische Verbindung der FGL-Aktoren mit dem Energienetzwerk im FKV-Bauteil.

Die Ergebnisse zeigen (vgl. Abbildung 2), dass im Vergleich zu den starren Segmenten (Section#1 mit 8 Verstärkungslagen à jeweils 1.200 tex in Kett- und Schussrichtung) die entwickelten 2D-Gelenkbereiche mit nur 2 Verstärkungslagen à 1.200 tex in Kett- und Schussrichtung (Section#2) bzw. à 1.200 tex in Kettrichtung und 410 tex in Schussrichtung (Section#3) um ca. 50 % geringere Biegemodule aufweisen (Section#1: ca. 12 GPa; Section#2 und Section#3: ca. 6 GPa in Bauteillängsrichtung) und daher als Deformationsbereiche prinzipiell geeignet sind [10].

Nach Konsolidierung von 3D-FKV-Bauteilen mit Epoxidharz (EP) wurde jedoch festgestellt, dass die Biegesteifigkeit der Deformationsbereiche zu hoch ist, um eine Verformung des 3D-Bauteils zu erlauben. Das ist auf die hohe Drucksteifigkeit des EPs in Verbindung mit der gekrümmten Rohrwandung zurückzuführen, die einen hohen Verformungswiderstand bedingen, was auch die durchgeführte FEM-Analyse bestätigt. Daher wurde im Projekt ein Multi-Matrix-Ansatz verfolgt, um die Gelenk‑ bzw. Deformationsbereiche mit einem viel biegeweicheren Matrixmaterial als das EP zu versehen. Hierfür wurden während der Infiltration im VARI-Verfahren zugleich die starren Segmente mit EP konsolidiert, die Deformationsbereiche hingegen mit einem fließfähigen Polyurethan-Matrixsystem (PUR) Biresin®-407 der Firma Sika Deutschland GmbH. Dieses gießfähige Elastomer mit einer Viskosität von ca. 600 mPa·s und einer Shore-Härte A 85 weist insbesondere ein niedriges Biegemodul von ca. 2 GPa auf (vgl. PUR-Section in Abbildung 2), was eine Verformung auch von rohrförmigen 3D-FKV-Bauteilen begünstigt.

Die Ergebnisse zeigen weiterhin, dass durch Maschenbildung über Plattieren direkt während des Strickprozesses FGL-Aktoren und elektrisch leitfähige Garne gezielt lokal vermaschbar sind (vgl. Abbildung 3). Somit sind zugleich eine form‑ und kraftschlüssige Fixierung der FGL-Aktoren in den Textilhalbzeugen mit ca. 100 N Auszugskraft im Verbund als auch eine zuverlässige elektrische in-situ Kontaktierung (stoffschlüssige Verbindung) mit niedrigen Übergangswiderständen von ca. 5 Ω realisierbar. Grund dafür ist die im Vergleich zu gestreckten Fäden ohne Verschlingungen (z. B. Kettfaden oder Teilschuss) über die Maschenbildung deutlich größere Kontaktfläche zwischen den Funktionsgarnen. Die elektrische Leitfähigkeit wird zudem durch lokales Applizieren eines Leitklebers (Silberlack Leitsilber der Firma Kemo-Electronic GmbH) im Kontaktierungsbereich verbessert.

Damit lassen sich anhand des Multi-Matrix-Ansatzes aktiv verformbare 2D-FKV-Integralbauteile mit mehreren Deformationsbereichen sowie strukturintegrierten Aktor- und Energienetzwerken realisieren (vgl. Abbildung 4). Thermographische Untersuchungen zeigen, dass die verschiedenen Deformationsbereiche über einen einzigen FGL-Aktor durch das Energienetzwerk separat ansteuerbar sind. Die Aktivierung des FGL-Aktors über die gesamte Bauteillänge, d. h. über die zwei PUR-Deformationsbereiche, führt zu erreichbaren Verformungen von ca. 50 mm, was mittels Lasertriangulation nachgewiesen wurde.

Aktiv verformbare 3D-FKV-Integralbauteile

Das entwickelte FEM-Modell wurde anhand der Ergebnisse mechanischer Charakterisierung von 2D- und 3D-Verbundproben validiert, insb. Zug-, 4-Punkt- und 3-Punkt-Biegeversuche sowie Aktivierungsversuche, und darauf aufbauend für die Auslegung und Optimierung von aktiv verformbaren 3D-FKV-Bauteilen mit mehrachsigen Festkörpergelenken, die jeweils zwei Freiheitsgrade aufweisen, herangezogen. Dabei wurden verschiedene 3D-Gelenktopologien entworfen und mit der Realisierung aktiv verformbarer 3D-FKV-Bauteile schrittweise optimiert. Somit konnte eine Vorzugslösung für die Umsetzung eines generischen Technologiedemonstrators abgeleitet werden (vgl. Abbildung 5). Diese weist einen faltenbalgartigen PUR-Gelenkbereich auf und ermöglicht Verformungen von max. 44,8 mm, was einer Auslenkung von ca. 11° entspricht. Zur Sicherstellung einer maximalen Auslenkung des Bauteils sind dabei die FGL-Aktoren im Gelenkbereich innerhalb des FKV-Rohres freiliegend zugeführt und erst an den Extremitäten der starren FKV-Segmenten lokal fixiert. Zudem sind sie im Gelenkbereich gezielt umgelenkt, um eine exzentrische Krafteinleitung bei Kontraktion der FGL-Aktoren hervorzurufen und somit hohe Biegeverformungen zu bewirken.

Die Umsetzung und Prüfung des Technologiedemonstrators (vgl. Abbildung 6) in Form eines mehrgliedrigen, aktiv verformbaren 3D-Gelenkarms, z. B. für den Anwendungsbereich Robotik, bestätigt, dass die neuartigen, gestrickten 3D-Verstärkungshalbzeuge mit mehrachsigen Festkörpergelenken sowie strukturintegrierten FGL-Aktor- und Energienetzwerken für die flexible Herstellung aktiv verformbarer 3D-FKV-Integralbauteile sehr gut geeignet sind. Die entwickelten Gelenktopologien ermöglichen erstmalig die Realisierung mehrachsiger Festkörpergelenke mit zwei Freiheitsgraden, die komplexe 3D-Bewegungsaufgaben mit erreichbaren Bauteilverformungen von ca. 50 mm ausführen können. Dabei sind im Vergleich zu herkömmlichen Bewegungsmechanismen, die eine lineare Kopplung mehrerer Gelenke und dezentraler Antriebe mit hoher Massenträgheit und demzufolge hohem Energiebedarf erfordern, wesentliche Vorteile erreichbar, insbesondere hinsichtlich des geringeren Montageaufwandes, der Reibungs- bzw. Verschleißfreiheit und der damit weitestgehend dauerhaften Wartungsfreiheit sowie des niedrigen Energieverbrauchs der FGL-Aktoren.

Damit sind die Voraussetzungen für eine wirtschaftliche und flexible Fertigung neuartiger, funktionalisierter 3D-Textilhalbzeuge für die Realisierung aktiv verformbarer 3D-FKV-Integralbauteile in reproduzierbarer Qualität geschaffen.

Zusammenfassung

Im abgeschlossenen IGF-Forschungsprojekt 21969 BR wurde erfolgreich eine auf der Flachstricktechnik basierende, flexible und industrietaugliche Fertigungstechnologie zur integralen Herstellung funktionalisierter 3D-Textilverstärkungshalbzeuge mit mehrachsigen Festkörpergelenken, strukturintegrierten Aktoren sowie für deren Aktivierung erforderlichen elektrisch leitfähigen Zuleitungen entwickelt, umgesetzt und erprobt.

Damit sind aktiv verformbare FKV-Bauteile realisierbar, die durch definiert angesteuerte Aktoren aus Formgedächtnislegierung (FGL) komplexe 3D-Bewegungen ausführen können. Dabei ermöglichen speziell gestaltete, topologisch optimierte Gelenkbereiche mit mehreren Freiheitsgraden innerhalb der textilen Verstärkungsstruktur die spätere 3D-Bewegungsaufgaben. Der geringere Montageaufwand, die Reibungs- bzw. Verschleißfreiheit und die damit weitestgehend dauerhafte Wartungsfreiheit sind erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Bewegungsmechanismen, die dazu mehrere konventionelle Drehgelenke erfordern. Dadurch sind zugleich das Leichtbaupotenzial von Hochleistungsfasern und das Leistungspotenzial textilbasierter FGL-Aktoren zur Erzielung komplexer 3D-Bewegungen in hohem Maße ausnutzbar.

Potenzielle industrielle Anwendungen sind aktiv verformbare 3D-FKV-Integralbauteile, die erstmals mit intrinsischen 3D-Gelenkmechanismen ausgestattet werden können, u. a. im Maschinen- und Anlagenbau (z. B. mehrgliedrige Roboterarme), im Schiff- und Fahrzeugbau (z. B. aktiv verformbare Tragfläche oder adaptive Verstellmechanismen für Spoiler) sowie in der Medizintechnik (z. B. aktive Orthesen und Prothesen, Endoskopie-Endeffektoren). Insbesondere die KMU der Textil- und FKV-Industrie beziehen aus den Projektergebnissen den konkreten Nutzen, dass ihnen technologisches Wissen zur simulationsgestützten Konzeptionierung, Auslegung und Fertigung maßgeschneiderter Textilverstärkungshalbzeuge für aktiv verformbare 3D-FKV-Bauteile mit strukturintegrierten Festkörpergelenken bereitgestellt wird, die in den genannten Marktbereichen eine steigende Nachfrage erfahren.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21969 BR der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e. V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Die Autoren danken den genannten Institutionen für die Bereitstellung der finanziellen Mittel sowie den involvierten Unternehmen im projektbegleitenden Ausschuss für die fachliche Unterstützung und die Bereitstellung von Versuchsmaterial. Der Forschungsbericht und weiterführende Informationen sind am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik der TU Dresden erhältlich.

 

Literaturverzeichnis

[1]           Lee, J.-H.; Chung, Y.S.; Rodrigue, H.: Long Shape Memory Alloy Tendon-based Soft Robotic Actuators and Implementation as a Soft Gripper. In: Scientific Reports 9 (2019) 1, S. 11251.

[2]           Wan A Hamid, W.L.H.: Design of a Composite Morphing Wing. London: Imperial College of Science, Technology and Medicine, Department of Aeronautics. PhD Thesis, 2019.

[3]           Hajarian, A.; Zakerzadeh, M.R.; Baghani, M.: Design, analysis and testing of a smart morphing airfoil actuated by SMA wires. In: Smart Materials and Structures 28 (2019) 115043, S. 1–12.

[4]           Ashir, M.; Hindahl, J.; Nocke, A.; Cherif, C.: Development of an adaptive morphing wing based on fiber-reinforced plastics and shape memory alloys. In: Journal of Industrial Textiles 50 (2020) 1, S. 114–

129.

[5]           Suman, A.; Fabbri, E.; Fortini, A.; Merlin, M.; Pinelli, M.: On the design strategies for SMA-based morphing actuators: state of the art and common practices applied to a fascinating case study. In: Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering (2020), S. 1–17.

[6]           Ashir, M.; Nocke, A.; Cherif, C.: Maximum deformation of shape memory alloy based adaptive fiber-reinforced plastics. In: Composites Science and Technology 184 (2019) 107860, S. 1–15.

[7]           Ashir, M.; Nocke, A.; Cherif, C.: Adaptive fiber-reinforced plastics based on open reed weaving and tailored fiber placement technology. In: Textile Research Journal 90 (2020) 9-10, S. 981–990.

[8]           Lohse, F.; Wende, C.; Klass, K.-D.; Hickmann, R.; Häntzsche, E.; Bollengier, Q.; Ashir, M.; Pöschel, R.; Bolk, N.; Trümper, W.; Cherif, C.: Bio-inspired semi-flexible joint based on fibre-reinforced composites with shape memory alloys. In: Journal of Intelligent Material Systems and Structures (2020), S. 1–11.

[9]           Woodworth, L.A.; Lohse, F.; Kopelmann, K.; Cherif, C.; Kaliske, M.: Development of a constitutive model considering functional fatigue and pre-stretch in shape memory alloy wires. In: International Journal of Solids and Structures 234-235 (2022), S. 111242.

[10]        Bollengier, Q.; Rabe, D.; Mersch, J.; Häntzsche, E.; Nocke, A.; Cherif, C.: Development of integrated in-situ actuator networks for the realization of flexure hinges for highly deformable fiber-reinforced plastic composites. In: Passion for Innovation. 21st World Textile Conference AUTEX 2022, Online (Lodz, Poland) (2022) - ISBN 978-83-66741-75-1, S. 440–444.

Abstract
Zum aktuellen Stand der Technik existiert keine Lösung für die Interaktion zwischen Hautsenso-ren zur Überwachung von Vitalparametern und Smart Textiles. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein System entwickelt, welches die kabellose Daten- und Energieübertragung zwischen Sensoren und Textilien ermöglicht.
Hautsensoren ermöglichen in Bereichen wie Medizin und Sport eine nicht- oder minimalinvasive Überwachung von Vitalparametern wie Herzschlag, Atemfrequenz, Blutzucker oder Sauer-stoffsättigung des Bluts. Zur Maximierung des Tragekomfort wird eine Lösung mit passiven Haut-sensoren angestrebt, die mithilfe eines Smart Textiles mit Energie versorgt werden und welches die Daten der Sensoren ausliest.
Hiefür bietet sich NFC als Übertragungsstandard an, da NFC einen zeitgleichen Austausch von Energie und Daten ermöglicht. Mittels eines NFC-Tags mit integrierten Sensoren wird der Haut-sensor simuliert. Um die Grenzen der Lösung festlegen zu können wird der Einfluss verschiede-ner Parameter auf die Energieübertragung zwischen NFC-Antennen untersucht. Die untersuch-ten Parameter sind der Abstand zwischen NFC-Antenne und NFC-Tag, die relative Verschiebung zwischen NFC-Antenne und NFC-Tag, die Krümmung der NFC-Antenne, der Einfluss von Texti-lien zwischen NFC-Antenne und NFC-Tag sowie der Einfluss verschiedener Materialien und Ge-ometrien für gestickte NFC-Antennen.

Einleitung
Smart Textiles erlauben es auf verschiedene Arten zusätzliche Funktionen in Bekleidung oder andere Textilien zu integrieren. Soll ein elektrischer Schaltkreis auf oder in ein Textil integriert werden, bestehen verschiedene Möglichkeiten. Neben dem Drucken mit leitfähigen Tinten und dem Einbringen von leitfähigen Garnen mittels Weben und Stricken, bietet das Sticken ein hohes Maß an Designfreiheit und einer gegeben Waschbarkeit bei der Wahl von geeigneten leitfähigen Garnen. [1] Die textile Integration erlaubt außerdem einen nahezu uneingeschränkten Tragekomfort.
Bei der Wahl der Technologie für eine kabellose Datenübertragung ist besonders auf den Ener-gieverbrauch zu achten. NFC weist einen sehr niedrigen Energieverbrauch auf [2] und ermöglicht einen zeitgleichen Energie- und Datenaustausch. Die spiralförmige, flache Geometrie von NFC-Antennen, ermöglichen die Energieübertragung mittels Induktion [3]. Aufgrund der Antennenge-ometrie lassen sich NFC-Antennen mit leitfähigen Garnen auf Textilien aufsticken.

Experimenteller Teil
Um die Grenzen der Energieübertragung zwischen zwei NFC-Antennen zu untersuchen, wird der Einfluss verschiedener Faktoren auf die induzierte Spannung in einem NFC-Tag untersucht. Die untersuchten Faktoren sind der Abstand, die Verschiebung, die Krümmung und zwischen den Antennen befindliche Textilien. Dadurch werden verschiedene Situationen des Tragens von einem Bekleidungsstück mit einer textilen Antenne untersucht. Die verwendeten Versuchsvorrichtungen  werden mittels 3D-Druck hergestellt, siehe Abbildung 1. 

Abbildung 1: Versuchsaufbau für Messungen des Einflusses des Abstands, der Geometrie, der Verschiebung und der Krümmung zwischen NFC-Antenne und NFC-Tag. Quelle: ITA

Neben den Versuchen zu den bereits beschrieben Parametern des Systems werden verschiedene textile NFC-Antennen gefertigt und bewertet. Dabei kommen selektierte Geometrien aus verschiedenen Literaturquellen [4], [5], [6] und Materialkombinationen zum Einsatz. Die Geometrien unterscheiden sich in der Anzahl der Windungen, dem Windungsabstand und dem Durchmesser der Antenne. Die untersuchten Materialkombinationen sind (A) Shieldex und Madeira HC 40, (B) Polyester und Shieldex und (C) Polyester und Kupferlackdraht. Anhand der gestickten Antenne können Aussagen über die Materialien und Geometrien getroffen werden. Zudem werden die Widerstände sowohl von den textilen Antennen als auch gekauften NFC-Antennen gemessen.
Die verschiedenen Geometrien sind in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Antennengeometrien. Quelle: ITA

Mit den Erkenntnissen der praktischen Versuche wird ein Demonstrator in Form eines langärmligen Oberteils hergestellt. Zur vereinfachten Herstellung wird die Antenne und zwei Leiterbahnen auf ein Textil gestickt und nachträglich auf den Ärmel des Oberteils aufgeklebt. Zusätzlich wird der Ärmel mit einer Tasche versehen, in die ein NFC-Leser platziert werden kann. Der NFC-Leser erlaubt ein Auslesen der Sensoren des NFC-Tags und die zeitgleiche Energieversorgung. Der Demonstrator ist mit Detailaufnahmen in Abbildung 3 zu sehen.

Abbildung 3: Demonstrator mit Detailaufnahmen. Quelle: ITA

Ergebnisse
In den Versuchen zu den Antennen konnte gezeigt werden, dass der Einfluss der untersuchten Krümmung auf Energieübertragung lediglich gering ist (> 5 %). Steigende Abstände und relative Verschiebungen hingegen führen zu einer Abnahme der induzierten Spannung im NFC-Tag. Insbesondere die Verschiebung schränkt die Anwendung ein. Bereits bei einer Verschiebung von etwa 2,5 cm beträgt die induzierte Spannung nur noch die Hälfte des Werts ohne Verschiebung (siehe Abbildung 4). In einem Endprodukt muss demnach eine möglichst genaue Positionierung über dem Hautsensor gewährleistet werden. 

Abbildung 4: Messergebnis Verschiebung. Quelle: ITA


Bei der Wahl der Materialien hat sich die Materialkombination (A) mit Shieldex und Madeira HC 40 am zuverlässigsten gezeigt. Verglichen mit (B) ist (A) weniger fehleranfällig, da ein Riss eines Garns nicht zwangsläufig zu einem Trennen des Schaltkreises führt. Kupferlackdraht ist neben der Anfälligkeit bei Biegung zu brechen, aufgrund der erschwerten Kontaktierung nachteilig. Au-ßerdem ist bei der Entwicklung von Geometrien auf einen definierten Windungsabstand zu ach-ten, um Kurzschlüsse innerhalb der Antenne zu vermeiden. Es ist jedoch anzumerken, dass die gestickten Antennen im Vergleich zur verwendeten kommerziellen Antenne einen etwa um den Faktor 30 höherer Widerstand aufweisen.

Diskussion
Im Rahmen der durchgeführten Versuche hinsichtlich der untersuchten Parameter Abstand, Krümmung, Verschiebung sowie Geometrie konnte bei allen Parametern ein Einfluss erkannt werden. Dieser ist für die Parameter Abstand sowie Verschiebung besonders ausgeprägt. Dies zeigt sich unter anderem durch eine Halbierung der induzierten Spannung ab einer Verschie-bung von 2,5 cm. Im Rahmen von weiterführenden Versuchen soll in einem nächsten Schritt nun genauere Untersuchung und Weiterentwicklung von textilen NFC-Antennen durchgeführt werden, um eine energiesparende Umsetzung zu ermöglichen. Für die Übertragung der aktuel-len Ergebnisse in ein realistisches Szenario muss für die Entwicklung von Endprodukten eine genaue Positionierung der Antennen realisiert werden. Zusätzlich ist für ein Endprodukt eine textilbezogene Umsetzung des NFC-Lesers und seiner Energieversorgung anzustreben.

Danksagung
Wir danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz und der AIF-Forschungsge-meinschaft für die Förderung des IGF-Projektes Nr. 351EN/1.

Literaturliste
[1] Tao, X.: Handbook of Smart Textiles, Springer Singapore, 2015
[2] Gupta, D.; Khanna, A.; Hassanien, A. E.; Anand, S.; Jaiswal, A. (Hrsg.): International Conference on Innovative Computing and Communications, Springer Nature Singapore, 2023
[3] Lathiya, P.; Wang, J.: Near-Field Communications (NFC) for Wireless Power Transfer (WPT): An Overview In Zellagui, M.: Wireless Power Transfer – Recent Development, Applications and New Perspectives: IntechOpen, 2021
[4] Jiang, Y. T.; Xu, L. L.; Pan, K. W.; Leng, T.; Li, Y.; Danoon, L.; Hu, Z. R.: e-Textile embroidered wearable near-field communication RFID antennas. IET MICROWAVES ANTENNAS & PROPAGATION. 13, S. 99–104, 2019
[5] Del-Rio-Ruiz, R.; Lopez-Garde, J. M.; Macon, J. L.; Rogier, H.; IEEE: Design and Performance Analysis of a Purely Textile Spiral Antenna for On-Body NFC Applications, 2017
[6] Lin, R.; Kim, H.-J.; Achavananthadith, S.; Kurt, S. A.; Tan, S. C. C.; Yao, H.; Tee, B. C. K.; Lee, J. K. W.; Ho, J. S.: Wireless battery-free body sensor networks using near-field-enabled clothing, NATURE COMMUNICATIONS. 11, S. 444, 2020

Sport- und Outdoorbekleidung sind heutzutage beliebter denn je, da immer mehr Menschen ihre Freizeitaktivitäten in der Natur verbringen möchten. Mit steigendem Interesse an Wandern, Skifahren und anderen Outdoor-Aktivitäten wächst auch die Nachfrage nach hochwertiger Ausrüstung, wie zum Beispiel Thermojacken und Schlafsäcken.

Solche isolierenden Thermostrukturen werden auch im Automobilbau zur Dachisolation verwendet. Diese mehrschichtigen Strukturen umfassen einen Ober- und Unterstoff sowie den dazwischenliegenden Dämmstoff. Zur Verbindung der Lagen werden Steppnähte eingesetzt, die die Lagen zueinander in Position halten. Durch das eingeschlossene Luftvolumen kann ein hoher Isolationsgrad erreicht werden, der jedoch im Bereich der Steppnähte durch die Komprimierung des Dämmstoffes und den in Wärmedurchgangsrichtung verlaufenden Steppfaden stark abnimmt. Die so entstehenden Kältebrücken reduzieren die Funktionalität der Produkte und begrenzen das Potenzial der Dämmstoffe stark. Darüber hinaus umfasst die Fertigung der Thermostrukturen mehrere teils komplexe zeit- und materialintensive Teilschritte. Zur Vermeidung beschriebener Kältebrücken und Vereinfachung des Herstellverfahrens wird in diesem Projekt die Entwicklung eines Webverfahrens angestrebt, dass die integrale Fertigung von Thermostrukturen erlaubt. Durch die Substitution des Ober- und Unterstoffs durch ein gekammertes Mehrlagengewebe mit Bindekette wird die Verbindung der Lagen ohne Steppnähte gewährleistet.

Eingebrachte Heizstrukturen sollen die Wärmewirkung zusätzlich erhöhen. Die Verwendung einer Jacquardmaschine bietet außerdem die Möglichkeit einer freien Musterung der Deckflächen, deren Designmöglichkeiten zurzeit durch den Steppnahtverlauf begrenzt werden.

Schwerpunkt des Projektes ist die Entwicklung einer industriell verwendbaren und KMU-gerechten Auslegungsmethodik für beschriebene Thermogewebe, wodurch bei individuellen Kundenanfragen schnell strukturelle, geometrische und materialseitige Vorgaben bereitgestellt werden. Ein weiterer Schwerpunkt ist die konstruktiv-technologische Entwicklung eines Webverfahrens inklusive Trenn-, Vorlage- und Verarbeitungsprozess des Dämmmaterials, die Entwicklung geeigneter Gewebebindungen und einem Konzept für einen produktspezifischen Warenabzug. Die integrale Fertigung der Thermostruktur an Funktionsmustern wird darauf aufbauend beispielhaft erprobt und bewertet.

Die Anwendungsfelder für integral gewebte Thermostrukturen reichen vom Funktionsbekleidungsbereich über den Tierbedarf in Form von z. B. Pferdedecken bis hin zu Isolationsanwendungen im Fahrzeugbau. Die Beteiligung der Industrie mit Vertretern verschiedener Branchen wie Smart Textiles, Vliesstoff-, Gewebe- und Garnherstellung, Softwareentwicklung, Fahrzeugbau und Textilhersteller zeigt den deutlichen Bedarf an solchen Innovationen.

Ziel des Projektes ist es, den Wärmedurchgangskoeffizienten von Thermostrukturen um ca. 20 % im Vergleich zu gesteppten Konstruktionen zu reduzieren. Damit soll ein deutlicher Wettbewerbsvorteil durch die stark verbesserte Performance von Outdoorbekleidung und Thermotextilien in verschiedene Branchen geschaffen werden. Die einstufige Fertigung ermöglicht zusätzlich die Einsparung von Herstellkosten. Mit den Projektergebnissen soll ein Beitrag zur Nachhaltigkeit und kosteneffizienten Fertigung von Thermostrukturen geleistet werden. Darüber hinaus wird eine Verbesserung in den Technologiesektoren Textilmaschinenbau und Weberei erreicht.

Das IGF-Vorhaben 2817 BR (Entwicklung einer Webtechnologie zur integralen Fertigung von Vlies-Thermogeweben mit Heizfunktion) der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V. wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

1. Einleitung

Mobilität ist ein menschliches Grundbedürfnis und eine wesentliche Voraussetzung, um sich sozial in die Gesellschaft zu integrieren. Mit steigender Lebenserwartung und dem damit verbundenen demographischen Wandel wird das Thema Mobilität künftig zunehmend wichtiger. Ältere Menschen vermeiden es aufgrund körperlicher Einschränkungen, ohne fremde Hilfe ihren Wohnraum zu verlassen. Der Verlust der Mobilität ist eines der maßgeblichen Risiken des Alterns [1].

In den letzten Jahren wurden unter Einsatz von Robotik und Mechatronik tragbare Roboter, Anzüge oder Geräte entwickelt, die mittels externer Kräfte zur Unterstützung der menschlichen Mobilität beitragen (aktive Exoskelette) [2]. In aktuellen Forschungen geht es um die Gestaltung von Soft-Exosuits, die keinen äußeren starren Rahmen haben, aber auch auf der Wirkung externer Kräfte basieren [3]. Aus medizinischer Sicht ist die Anwendung derartige Lösungen für ältere Menschen, die nur altersbedingte körperliche Einschränkungen haben, umstritten. Fehlende aktive Bewegung führt in der Regel zu einer Rückbildung der Muskulatur, was nicht im Sinne der potentiellen Nutzer wäre. Während im Bereich des Hochleistungs- und Freizeitsports seit Jahrzehnten an der Material- und Schnittentwicklung für Funktionskleidung gearbeitet wird, ist der Kundenkreis der älteren Menschen bisher vernachlässigt worden [4-8].

2. Zielsetzung und Lösungsweg

Ziel dieser Forschung war es deshalb, durch bekleidungstechnische Assistenzsysteme die Mobilität älterer Menschen zu unterstützen ohne die körpereigenen Kräfte abzubauen und einem Muskelabbau weitgehend entgegenzuwirken. Im Rahmen des Projektes wurde ein passives Exosuit zur Unterstützung der Aufstehbewegung (Sit-To-Stand – STS-Bewegung) prototypisch umgesetzt.

Die bekleidungstechnischen Assistenzsysteme für die STS-Bewegung wurden in Form von Funktionswäsche entwickelt, die unter der normalen Tageskleidung getragen werden kann. Diese besteht aus textilen Materialien unterschiedlicher Dehnsteifigkeiten, die die Bewegung des Menschen durch eine gezielte Energiespeicherung/-abgabe, die auf die erforderlichen Muskelkräfte abgestimmt ist, fördern. Die textiltechnische Unterstützung soll unter Berücksichtigung des zu gewährleistenden Tragekomforts nicht das ganze Gewicht des Menschen tragen. Somit muss ein Kompromiss zwischen Tragkraft und Unterstützungslevel gefunden werden. Die belastungsangepasste Materialauswahl erfolgt auf Grundlage biomechanischer Modellierung/Simulation sowie der textilphysikalischen Materialcharakterisierung. Abbildung 1 zeigt die zur Erreichung des Forschungszieles nötigen Prozessschritte.

3. Ergebnisse

Die Ergebnisse sind in folgende Kapitel unterteilt:

3.1 Erfassung von Scandaten mobilitätseingeschränkter Probanden

3.2 Generierung personenindividueller kinematischer/biomechanischer Menschmodelle zur Simulation der Bewegung

3.3 Berechnung/Simulation der Muskelkräfte

3.4 Schnitttechnische Entwicklung des Assistenzsystems und Funktionalisierung

3.5 Validierung der Assistenzwirkung

Die umfassende Ergebnispräsentatiom finden Sie in der Veröffentlichung, die zum Download (pdf-Datei) zur Verfügung steht.

4. Zusammenfassung

In diesem Forschungsvorhaben wurde ein passives bekleidungstechnisches Assistenzsystem in Form von Funktionswäsche für Menschen mit leichten Mobilitätseinschränkungen entwickelt. Dabei geht es darum, den Bewegungsapparat zu entlasten, d. h. die für eine STS-Bewegung benötigten Kräfte zu reduzieren und die Stabilität der Bewegungen zu erhöhen. Dazu wurden personenindividuelle Daten scantechnisch erfasst, textile Materialien unterschiedlicher Dehnsteifigkeiten ausgewählt und charakterisiert, die zu unterstützenden Muskelkräfte in Abhängigkeit der definierten Bewegung simuliert sowie die Schnittgestaltung und Positionierung von Funktionselementen dementsprechend anforderungsgerecht ausgeführt. EMG-Messungen zeigen die unterstützende Wirkung des passiven Assistenzsystems. Die Reduzierung der detektierten Muskelaktivität liegt für die relevanten Muskelgruppen zwischen 6% und 40 %. Damit stellen sie künftig eine erfolgversprechende, nutzerorientierte und alltagstaugliche Lösung dar, um die Mobilität zu unterstützen, ohne die körpereigenen Kräfte abzubauen und einem Muskelabbau entgegenzuwirken.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21603 BR/1 der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Die vollständige Veröffentlichung steht zum Download zur Verfügung.

Einleitung

Exoskelette werden heutzutage in vielen Bereichen eingesetzt. Zum Heben von schweren Lasten, die ohne Exoskelett nicht zu bewältigen wären, bis zum Einsatz in der Rehabilitation von Patienten, die durch einen Unfall eine Einschränkung in ihrer Bewegungsunfähigkeit besitzen. Im Alltag jedoch finden Exoskelette kaum Anwendung. Ein Grund dafür ist unter anderem die umständliche Steuerung. Viele Modelle nutzen eine Auswahl an Bewegungsmodi, die durch Knopfdruck eingestellt werden. Dadurch lässt sich kein dynamischer Bewegungsablauf erreichen. Werden Sensoren für die Steuerung verwendet, sind diese entweder zu langsam, sodass kein natürlicher Bewegungsablauf möglich ist, oder es ist nötig Elektroden direkt auf der Haut zu platzieren. Das erfordert einerseits eine hohe Präzision bei der Anbringung der Elektroden und andererseits kann der direkte Hautkontakt als unangenehm empfunden werden. [1]

Experimentieller Teil

Das Ziel dieses Forschungsansatzes ist die Entwicklung einer Drucksensormatrix, die in der Lage ist, sowohl unterschiedliche Druckbelastungen zu unterscheiden als auch die Druckbelastung räumlich abzugrenzen. Dazu wird das kapazitive Drucksensorprinzip verwendet, siehe Abbildung 1.

Der Aufbau des kapazitiven Drucksensors basiert auf dem Prinzip des Plattenkondensators. Dabei fungiert das Textil als Dielektrikum. Auf dem Textil werden Kondensatorplatten aus leitfähiger Tinte auf das Textil gedruckt, sodass der Aufbau eines Plattenkondensators entsteht. Bei Ausübung von Druck auf den Aufbau verringert sich der Plattenabstand d, wodurch sich die gemessene Kapazität erhöht. Diese Kapazitätsänderung wird gemessen, um Rückschlüsse auf die ausgeübte Kraft zu ziehen.

Für die Drucksensormatrix wird die Entwicklung dieser in drei (I bis III) aufeinander aufbauende Schritte unterteilt, siehe Abbildung 2.

Im ersten Schritt (I) wird das Textil für die Herstellung der Drucksensoren ermittelt. Dazu wird die relative Permittivität von einer Auswahl an Textilien bestimmt und das Textil mit der höchsten relativen Permittivität ausgewählt. Mit dem ausgewählten Textil erfolgt im zweiten Schritt (II) die Validierung des Drucksensorprinzips, indem einzelne Drucksensoren hergestellt und ausgemessen werden. Zusätzlich dazu wird der Einfluss der Kondensatorplattengröße und Textildicke auf die gemessene Kapazität untersucht, indem diese variiert werden. Basierend auf diesen Ergebnissen wird im dritten Schritt (III) der einzelne Drucksensor auf eine Drucksensormatrix erweitert.

Ergebnisse

Durch die Erweiterung des einzelnes Drucksensors auf eine Drucksensormatrix ist es möglich, sowohl unterschiedlich starke Belastungen zu unterscheiden als auch diese räumlich abzugrenzen, siehe Abbildung 3.

Dabei wird das Feld 3|3 (oben rechts) stärker belastet als das Feld 3|1 (unten links), wie durch die unterschiedliche Größe der Gewichte veranschaulicht (Abbildung 3, links). In der Matrix (Abbildung 3, rechts) ist die Differenz zwischen dem unbelasteten Zustand dargestellt und dem belasteten Zustand dargestellt.

Diskussion

Die Ergebnisse der Drucksensormatrix zeigen, dass es möglich ist sowohl unterschiedliche Druckbelastungen zu erkennen als auch diese räumlich abzugrenzen. Allerdings ist auch ein Ausschlag bei einigen nicht belasteten Feldern zu beobachten. Ein Grund ist das die Felder sich untereinander beeinflussen. Zusätzlich ist kapazitive Kopplung zwischen den einzelnen Messkabeln zu beobachten, sodass sich durch eine relative Verschiebung dieser zueinander, die gemessene Kapazität verändert. Aus diesem Grund sind auch Ausschläge für unbelastete Felder zu beobachten.

Zusammenfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Drucksensormatrix entwickelt und die Funktionsweise validiert. Der Drucksensor ist in der Lage unterschiedliche Belastungen zu unterscheiden. Durch den Aufbau einer Drucksensormatrix ist es möglich die Belastung räumlich abzugrenzen.

Danksagung

Wir danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz für die Förderung des Forschungsprojektes im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM).