Mit Schallwellen zum smarten T-Shirt

Neue smarte Textilien setzen für präzise Messungen auf akustische Wellen und Glasfasern. Sie sind leicht, atmungsaktiv und kostengünstig und könnten etwa eingesetzt werden, um Bewegungsabläufe bei Sportlern zu verbessern oder die Atmung von Asthmapatienten zu überwachen.

Stellen Sie sich vor, Sie tragen ein T-Shirt, das Ihre Atemfrequenz misst, oder Handschuhe, die Ihre Handbewegungen in Befehle für den Computer übersetzen. Forschende der ETH Zürich unter der Leitung von Daniel Ahmed, Professor für Akustische Robotik für Biowissenschaften und Gesundheitswesen, haben die Grundlagen für solche smarten Textilien geschaffen.

Anders als viele bisherige Entwicklungen in diesem Bereich, die dafür meist Elektronik benutzen, setzen die ETH-Forschenden auf akustische Wellen, die durch Glasfasern geleitet werden. Das macht die Messungen präziser und die Textilien leichter und atmungsaktiver und besser waschbar. „Zudem sind sie kostengünstig, da wir leicht zugängliches Material verwenden, und der Stromverbrauch ist sehr gering“, erklärt Ahmed.

Akustische Sensoren im Stoff

Die Forschenden nennen ihre Entwicklung Sono-Textilien. Dabei haben sie normale Stoffe in smarte Sensoren verwandelt, die auf Berührungen, Druck und Bewegungen reagieren. „Es gab zwar bereits Forschung zu smarten Textilien auf Akustikbasis, aber wir sind die Ersten, die Glasfasern in Kombination mit Signalen, die unterschiedliche Frequenzen verwenden, erprobten“, erläutert Yingqiang Wang, Erstautor der in der Fachzeitschrift Nature Electronics veröffentlichten Studie.

Die Forschenden haben Glasfasern in regelmäßigen Abständen durch den Stoff gewebt. An ihrem einen Ende befindet sich ein kleiner Sender, der Schallwellen aussendet. Das andere Ende aller Glasfasern mündet in einen Empfänger, der misst, ob sich die Wellen verändert haben.

Jeder Sender arbeitet mit einer anderen Frequenz. So lässt sich mit wenig Rechenleistung erkennen, auf welcher Glasfaser sich die Schallwellen verändert haben. Bisherige smarte Textilien kämpften oft mit Problemen der Datenüberlastung und Signalverarbeitung, da jede Sensorstelle einzeln ausgewertet werden musste. „Zukünftig könnten die Daten in Echtzeit direkt an einen Computer oder ein Smartphone gesendet werden“, sagt Ahmed.

Wird eine Glasfaser bewegt, verändert sich die Länge der durch sie fließenden akustischen Wellen, da sie an Energie verlieren. Bei einem T-Shirt kann das durch die Körperbewegung oder auch durch die Atmung geschehen. „Wir haben Frequenzen um die 100 Kilohertz im Ultraschallbereich verwendet – weit außerhalb des menschlichen Hörbereichs, der zwischen 20 Hertz und 20 Kilohertz liegt“, betont Wang.

Vielseitig einsetzbar

Die Forschenden haben im Labor gezeigt, dass ihr Konzept funktioniert. In Zukunft könnten Sono-Textilien in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden: Als Hemd oder T-Shirt könnten sie die Atmung von Asthmapatienten überwachen und im Notfall warnen.