Mit traditionellen Textilherstellungstechniken tragbare intelligente Technologie entwerfen

Es ist eine Sache, Bekleidung mit integrierter Kommunikationstechnologie zu entwerfen – aber wenn die Bekleidung sich dabei auch noch anfühlen und funktionieren soll wie wirkliche Kleidung, ist es etwas ganz anderes. Mit der Verwendung von Antennen auf Graphenbasis und traditionellen Textiltechniken kommt GFSMART diesem Ziel einen Schritt näher.

Industrielle Technologien

Der Begriff „smarte Textilien“ beschreibt Materialien, oft tragbare, die Kommunikationstechnologie integrieren und eine Vielzahl von Funktionen anbieten. Diese Technologien, von sensorbasierten Geräten bis hin zu Benutzerschnittstellenelementen, ermöglichen im wahrsten Sinne des Wortes die Verkörperung von Technologie. Die Herausforderung dabei besteht in der nahtlosen Integration der Technologie unter gleichzeitiger Beibehaltung des Komforts für die Person, die das Kleidungsstück trägt. Dafür müssen die elektronischen Komponenten leicht, kompakt, flexibel und unauffällig sein. Mit dem Projekt GFSMART, das durch die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützt und unter Leitung des Royal College of Art (RCA), London ausgeführt wird, sollten mit herkömmlichen Textilherstellungstechniken Antennen auf Graphenbasis für smarte Textilien entwickelt werden. Nachdem dieses Ziel erreicht war, wurden als Machbarkeitsnachweis Muster von smarten Textilien auf der Basis der Berührungs- und Komfortbedürfnisse von Menschen, die an Demenz oder Alzheimer leiden, entworfen. Außerdem wurde ein Vorschlag für einen Prototyp veröffentlicht. „Gemeinsam mit Experten für am Menschen orientiertes Design haben wir am Royal College of Art mit Menschen, die an Demenz leiden und den sie betreuenden Personen gearbeitet. Indem wir den Endnutzern zuhörten, haben wir tragbare Technologie mit den entsprechenden Qualitäten entworfen, die nicht nur einen weichen Griff aufweisen, sondern auch waschbar und lange haltbar sind“, sagt die Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiatin Elif Ozden-Yenigun.

Textile Antennen auf Graphenbasis

Im Rahmen von GFSMART sollte eine tragbare Schnittstelle für das Netzwerk des Internets der Dinge entwickelt werden, indem man sich auf eine der kritischen Komponenten der kabellosen Kommunikation konzentrierte, die Antennen. Das Projekt musste zunächst eine Alternative zum aktuellen Angebot an starren, restriktiven und oft giftigen Ansätzen für tragbare Technik finden, die zu mehr Elektronikabfall führen. Deshalb wurde Graphen untersucht. „Graphen sah vielversprechend für komfortable tragbare Antennen aus, da es im Vergleich zu Metall nicht schwer, flexibel und extrem haltbar ist und auch beim Waschen nicht leicht beschädigt wird. Es ist auch relativ einfach, die Fertigung in Textilien auszubauen“, erklärt Ozden-Yenigun. Bei der Arbeit mit Graphen in unterschiedlichen Formen, wie zum Beispiel Tinten, Beschichtungen und Fasern, sowie mit einer Nachbildung des menschlichen Körpers, entwarf und testete das Team Baueinheiten aus Graphen, um die besten Anordnungen für eine maximierte Reichweite der Antenne herauszufinden. Die Tests ermöglichten dem Team auch ein besseres Verständnis der Effekte von Biegungen und der Nähe zum menschlichen Körper auf die Gesamtleistung der Antenne. Der resultierende Entwurf war eine Antenne auf Graphenbasis, die eine große Bandbreite von 3 GHz bis 9 GHz abdeckt und eine vielversprechende Lösung für eine effiziente Kommunikationsverbindung mit hohen Datenraten bietet. Die Antennenentwürfe können an unterschiedliche Protokolle für Kabelloskommunikation und gemäß der Art und Struktur der Textilien angepasst werden. Um zusätzlichen Komfort zu gewährleisten, eliminierte das Team sowohl die metallischen Schichten als auch steife Komponenten, die in herkömmlichen Antennenentwürfen verwendet werden.

Das Internet der Dinge

Textilien haben das Potenzial, das Internet der Dinge auf die nächste Ebene anzuheben, da sie die tragenden Personen verschiedenen intelligenten Geräten zu Hause und bei der Arbeit näher bringen. Von entscheidender Bedeutung ist auch, dass sie Gesundheits- und Sicherheitsbedürfnissen gerecht werden können, insbesondere für gefährdete Menschen. So könnten zum Beispiel Positionierungssysteme dabei helfen, ältere und junge Menschen sowie Personen mit Behinderungen zu überwachen und so zu besseren Dienstleistungen in Innen- und Außenbereichen, im Verkehr und im öffentlichen Raum beitragen. In den heutigen COVID-19-Zeiten könnten solche Systeme auch helfen, Menschen anonym zu verfolgen, bei denen ein Risiko besteht, dass sie sich mit der Krankheit infiziert haben und andere anstecken könnten. „Wir haben erfolgreich eine textilbasierte Kommunikationsschnittstelle ohne Komforteinbußen geschaffen. Unsere auf Materialwissenschaft, Elektronik und Textildesign basierende Forschung eröffnet einen neuen nachhaltigen Pfad für die Zukunft maßgeschneiderter Textilien in einer vernetzten Welt“, fügt Ozden-Yenigun hinzu. Das Team sucht jetzt Mittel, um diese High-Tech-Stoffe in Anwenderfallszenarien weiter zu testen. Zuerst werden sie an der Feineinstellung einiger aufgetretener Kommunikationsherausforderungen arbeiten, insbesondere an Problemen im Zusammenhang mit der Datensicherheit.