Mit Schallwellen zum smarten T-Shirt

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Neue smarte Textilien von Forschenden der ETH Zürich setzen auf akustische
Wellen und Glasfasern, um präzise Messungen zu ermöglichen. Sie sind
leicht, atmungsaktiv und kostengünstig und bieten ein grosses Potenzial
für Medizin, Sport und Alltag.

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», sagt 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», erklärt Yingqiang Wang, Erstautor der in der Fachzeitschrift
Nature Electronics ((verlinken)) 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.