Revolutionärer ultraempfindlicher, langlebiger Dehnungssensor für Smart Textiles

Wenn die Smart Textiles der Zukunft überleben sollen, müssen ihre Komponenten widerstandsfähig sein. Forscher haben einen ultraempfindlichen, robusten Dehnungssensor entwickelt, der in Textilien und weiche Robotiksysteme eingebettet werden kann.

Design inspiriert von der Slinky-Feder

Die Forscher schufen ein Design, das einer Slinky-Feder sehr ähnlich sieht und sich verhält – ein massiver Zylinder aus starrigem Metall, der in Spiralform gebracht wird und dadurch dehnbar wird. Ausgangspunkt war ein starrer Volumenwerkstoff – hier Kohlefaser –, der so strukturiert wurde, dass das Material dehnbar wird. Das Muster wird als Schlangenlinien-Muster (serpentine meander) bezeichnet, da seine scharfen Auf- und Abwärtsbewegungen an das Schlängeln einer Schlange erinnern. Die strukturierten leitfähigen Kohlefasern werden dann zwischen zwei vorgespannte elastische Substrate eingebettet.

Funktionsweise: Leitfähigkeitsänderung bei Dehnung

Die gesamte elektrische Leitfähigkeit des Sensors ändert sich, wenn die Ränder der strukturierten Kohlefaser aus dem Kontakt miteinander herausgleiten – ähnlich wie die einzelnen Windungen einer Slinky-Feder beim Ziehen an beiden Enden auseinandergehen. Dieser Prozess erfolgt bereits bei kleinsten Dehnungen, was der Schlüssel zur hohen Empfindlichkeit des Sensors ist.

Keine Spezialmaterialien oder Reinraum nötig

Im Gegensatz zu aktuellen hochempfindlichen dehnbaren Sensoren, die auf exotische Materialien wie Silizium oder Goldnanodrähte setzen, benötigt dieser Sensor keine speziellen Fertigungstechniken oder gar einen Reinraum. Er lässt sich aus jedem leitfähigen Material herstellen. Die Forscher testeten die Robustheit des Sensors, indem sie ihn mit einem Skalpell stachen, mit einem Hammer schlugen, mit einem Auto überfuhren und 10-mal in der Waschmaschine wuschen. Der Sensor überstand jeden Test unbeschadet.

Demonstration: Gestenerkennung am Unterarm

Zur Demonstration der Empfindlichkeit betteten die Forscher den Sensor in einen Stoffärmel ein und ließen einen Probanden verschiedene Handgesten machen: Faust, offene Hand, Kneifbewegung. Die Sensoren detektierten die kleinen Veränderungen in den Unterarmmuskeln durch den Stoff hindurch, und ein ML-Algorithmus klassifizierte diese Gesten erfolgreich. Ein solcher Ärmel könnte in VR-Simulationen, Sportbekleidung oder klinischer Diagnostik neurodegenerativer Erkrankungen wie Parkinson eingesetzt werden.

Niedrige Kosten und Integration in Bekleidung

Ein weiteres Differenzierungsmerkmal ist der niedrige Material- und Montagekosten. Die Forscher erforschen, wie der Sensor in Bekleidung integriert werden kann, da er eine intime Schnittstelle zum menschlichen Körper bietet. Der Sensor könnte biomechanische und physiologische Messungen über den ganzen Tag ermöglichen – mit aktuellen Ansätzen nicht möglich.

Sehen Sie eine Demo des Sensors auf Tech Briefs TV hier. Weitere Informationen: Leah Burrows, leah_burrows@harvard.edu; 617-496-1351.