Damit die intelligenten Textilien der Zukunft allen Belastungen standhalten, müssen ihre Komponenten widerstandsfähig sein. Jetzt haben Forscher einen hochempfindlichen, äußerst belastbaren Dehnungssensor entwickelt, der in Textilien und weiche Robotersysteme eingebettet werden kann. Es könnte in allen Bereichen eingesetzt werden, von Virtual-Reality-Simulationen und Sportbekleidung bis hin zur klinischen Diagnostik neurodegenerativer Erkrankungen wie der Parkinson-Krankheit.
Denken Sie an Ihr Lieblings-T-Shirt, das Sie hundertmal getragen haben, und an all die Misshandlungen, denen Sie es ausgesetzt haben. Du hast es schon öfter gewaschen, als du dich erinnern kannst, hast es verschüttet, gedehnt, zerkrümelt und vielleicht einmal sogar angesengt, als du über den Herd gelehnt warst.
Wir machen unserer Kleidung einiges aus, und wenn die intelligenten Textilien der Zukunft alles überstehen sollen, was wir ihnen in den Weg stellen, müssen ihre Bestandteile widerstandsfähig sein.
Jetzt haben Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences und des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering einen hochempfindlichen, äußerst belastbaren Dehnungssensor entwickelt, der in Textilien und weiche Robotersysteme eingebettet werden kann.
Die Forschung ist veröffentlicht in Natur.
„Aktuelle weiche Dehnungsmessstreifen sind sehr empfindlich, aber auch sehr zerbrechlich“, sagte Oluwaseun Araromi, wissenschaftlicher Mitarbeiter für Materialwissenschaft und Maschinenbau am SEAS und am Wyss Institute und Erstautor des Artikels. „Das Problem besteht darin, dass wir in einem widersprüchlichen Paradigma arbeiten – hochempfindliche Sensoren sind normalerweise sehr zerbrechlich und sehr starke Sensoren sind normalerweise nicht sehr empfindlich. Deshalb mussten wir Mechanismen finden, die uns von jeder Eigenschaft ausreichend versorgen.“
Am Ende haben die Forscher ein Design entwickelt, das einem Slinky sehr ähnlich sieht und sich auch so verhält.
„Ein Slinky ist ein massiver Zylinder aus starrem Metall, aber wenn man ihn in diese Spiralform bringt, wird er dehnbar“, sagte Araromi. „Das ist im Wesentlichen das, was wir hier getan haben. Wir haben mit einem starren Grundmaterial, in diesem Fall Kohlefaser, begonnen und es so strukturiert, dass das Material dehnbar wird.“
Das Muster ist als Serpentinenmäander bekannt, da sein scharfes Auf und Ab dem Gleiten einer Schlange ähnelt. Die strukturierten leitfähigen Kohlenstofffasern werden dann zwischen zwei vorgespannten elastischen Substraten eingelegt.
Die gesamte elektrische Leitfähigkeit des Sensors ändert sich, wenn die Kanten der gemusterten Kohlefaser den Kontakt zueinander verlieren, ähnlich wie die einzelnen Spiralen eines Slinkys den Kontakt zueinander verlieren, wenn man an beiden Enden zieht. Dieser Vorgang findet bereits bei geringen Belastungen statt, was der Schlüssel zur hohen Empfindlichkeit des Sensors ist.
Im Gegensatz zu aktuellen hochempfindlichen dehnbaren Sensoren, die auf exotischen Materialien wie Silizium- oder Gold-Nanodrähten basieren, erfordert dieser Sensor keine besonderen Herstellungstechniken oder gar einen Reinraum. Es könnte aus jedem leitfähigen Material hergestellt werden.
Die Forscher testeten die Widerstandsfähigkeit des Sensors, indem sie mit einem Skalpell darauf einstachen, mit einem Hammer darauf schlugen, ihn mit einem Auto überfuhren und ihn zehnmal in eine Waschmaschine warfen. Der Sensor hat jeden Test unbeschadet überstanden.
Um seine Empfindlichkeit zu demonstrieren, betteten die Forscher den Sensor in eine Armmanschette aus Stoff ein und forderten einen Teilnehmer auf, verschiedene Gesten mit der Hand auszuführen, darunter eine Faust, eine offene Handfläche und eine Kneifbewegung. Die Sensoren erkannten die kleinen Veränderungen im Unterarmmuskel des Probanden durch den Stoff hindurch und ein maschineller Lernalgorithmus konnte diese Gesten erfolgreich klassifizieren.
„Diese Eigenschaften der Widerstandsfähigkeit und der mechanischen Robustheit stellen diesen Sensor in ein ganz neues Lager“, sagte Araromi.
Eine solche Hülle könnte in allen Bereichen eingesetzt werden, von Virtual-Reality-Simulationen und Sportbekleidung bis hin zur klinischen Diagnostik neurodegenerativer Erkrankungen wie der Parkinson-Krankheit.
Das Harvard Office of Technology Development hat einen Antrag zum Schutz des geistigen Eigentums im Zusammenhang mit diesem Projekt gestellt.
„Die Kombination aus hoher Empfindlichkeit und Widerstandsfähigkeit sind klare Vorteile dieses Sensortyps“, sagte Robert Wood, Charles River-Professor für Ingenieurwissenschaften und angewandte Wissenschaften am SEAS und leitender Autor der Studie. „Aber ein weiterer Aspekt, der diese Technologie von anderen unterscheidet, sind die geringen Kosten der Ausgangsmaterialien und Montagemethoden. Dadurch werden hoffentlich die Hindernisse für die Verbreitung dieser Technologie in intelligenten Textilien und darüber hinaus verringert.“
„Wir erforschen derzeit, wie dieser Sensor aufgrund der engen Schnittstelle zum menschlichen Körper, die er bietet, in Kleidung integriert werden kann“, sagt Conor Walsh, Paul A. Maeder-Professor für Ingenieurwissenschaften und angewandte Wissenschaften am SEAS und Mitautor der Studie . „Dies wird aufregende neue Anwendungen ermöglichen, indem biomechanische und physiologische Messungen im Laufe des Tages einer Person durchgeführt werden können, was mit aktuellen Ansätzen nicht möglich ist.“
Die Forschung wurde gemeinsam von Moritz A. Graule, Kristen L. Dorsey, Sam Castellanos, Jonathan R. Foster, Wen-Hao Hsu, Arthur E. Passy, James C. Weaver, Senior Staff Scientist bei SEAS, und Joost J. Vlassak verfasst , Abbott und James Lawrence Professor für Werkstofftechnik am SEAS.
Es wurde durch die strategische Forschungsallianz der Universität mit Tata finanziert. Die auf sechs Jahre angelegte Allianz $8.4M wurde 2016 gegründet, um Harvard-Innovationen in Bereichen wie Robotik, tragbare Technologien und das Internet der Dinge (IoT) voranzutreiben.
Geschichte Quelle:
Materialien zur Verfügung gestellt von Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences. Original geschrieben von Leah Burrows. Hinweis: Der Inhalt kann hinsichtlich Stil und Länge bearbeitet werden.
Zeitschriftenreferenz:
- Oluwaseun A. Araromi, Moritz A. Graule, Kristen L. Dorsey, Sam Castellanos, Jonathan R. Foster, Wen-Hao Hsu, Arthur E. Passy, Joost J. Vlassak, James C. Weaver, Conor J. Walsh, Robert J . Holz. Hochempfindliche und belastbare Dehnmessstreifen für weiche Maschinen. Natur, 2020; 587 (7833): 219 DOI: 10.1038/s41586-020-2892-6
Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences. „Sensor für smarte Textilien überlebt Waschmaschine, Auto und Hammer.“ ScienceDaily. ScienceDaily, 11. November 2020. .
