Flexible Sensoren für Anwendungen auf Textilien aber auch im Bauwerk

| Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet

Sagar Doshi (links) und Erik Thostenson testen eine Ellbogenmanschette, die mit einem ihrer neuartigen Sensoren ausgestattet ist.
Sagar Doshi (links) und Erik Thostenson testen eine Ellbogenmanschette, die mit einem ihrer neuartigen Sensoren ausgestattet ist. (Bild: Kathy F. Atkinson)

Von einer leichten Berührung einer Fingerspitze bis hin zu tonnenschweren Belastungen: Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwandeln Gewebe in leichte, flexible und hochsensible Sensoren.

Indem sie flexible Beschichtungen aus einem Kohlenstoff-Nanoröhren-Verbund auf verschiedene Fasern aufbringen, wollen Ingenieure der University of Delaware intelligente Textilien der „nächsten Generation“ herstellen. Durch elektrophoretische Abscheidung (EPD) von funktionalisierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen werden nervenähnliche, elektrisch leitfähige Nanokomposit-Beschichtungen auf den Fasern erzeugt. Das Ergebnis sind leichte, flexible und atmungsaktive Gewebebeschichtungen mit einer umfassenden Sensorbereich: Selbst kleine Druckunterschiede im Gewebe führen zu leicht messbaren Änderungen.

Erik Thostenson, außerordentlicher Professor an den Fakultäten für Maschinenbau und Materialwissenschaften erklärt: „Die Filme wirken wie ein Farbstoff, der die elektrische Sensorik ergänzt“, sagt Thostenson. „Das in meinem Labor entwickelte EPD-Verfahren erzeugt diese sehr gleichmäßige Nanokomposit-Beschichtung, die fest mit der Faseroberfläche verbunden ist.“

Bestehende Techniken, wie das Beschichten von Fasern mit Metall oder das Zusammenstricken von Fasern und Metallfasern, können den Komfort und die Haltbarkeit von Geweben verringern, sagt Thostenson. Die von ihm und seiner Gruppe entwickelte Nanokomposit-Beschichtung soll dagegen flexibel sein und angenehm anzufassen.

Die Beschichtungen wurden auf verschiedenen natürlichen und synthetischen Fasern getestet, darunter Kevlar, Wolle, Nylon, Spandex und Polyester. Mit einer Dicke von nur 250 bis 750 nm Dicke, wiegen die in ein Kleidungsstück integrierten Sensoren nur etwa ein Gramm. Zudem sind die verwendeten Materialien für die Sensorbeschichtung kostengünstig und relativ umweltfreundlich, da sie bei Raumtemperatur mit Wasser als Lösungsmittel verarbeitet werden können. Das Verfahren soll zudem skalierbar und somit für industrielle Anwendungen geeignet sein.

Vom Schuh ins Gebäude

Gewebe, dass mit dieser Sensortechnologie beschichtet ist, könnte in zukünftigen „Smart Garments“ eingesetzt werden – beispielsweise integriert in Schuhsohlen, um die Kräfte auf die Füße beim Gehen zu erfassen. Diese Daten könnten Ärzten helfen, Ungleichgewichte nach Verletzungen zu beurteilen oder Verletzungen bei Sportlern zu vermeiden.

In einem Forschungsverbund untersucht Thostenson's Forschungsgruppe, ob die intelligenten Schuhe mit biomechanischen Labortechniken, z.B. Laufbändern, verglichen werden können. Denn: Während des Labortests wissen die Leute, dass sie beobachtet werden. Außerhalb des Labors kann sich das Verhalten ändern. „Eine unserer Ideen ist, dass wir diese neuartigen Textilien auch außerhalb eines Labors einsetzen können - auf der Straße, zu Hause, wo auch immer“, sagt Thostenson.

Sagar Doshi, Doktorand für Maschinenbau an der UD, hat die Sensoren hergestellt, ihre Empfindlichkeit optimiert, ihre mechanischen Eigenschaften getestet und Schuhe integriert. Er selbst hat die Sensoren in Vorversuchen getragen. Die bisher gesammelten Sensordaten sind vielversprechend und mit denen einer Kraftmessplatte, einem Laborgerät, das normalerweise Tausende von Dollar kostet, vergleichbar.

Da der kostengünstige Sensor dünn und flexibel ist, können individuelle Schuhe und andere Kleidungsstücke mit integrierter Elektronik hergestellt werden, um Daten aus dem täglichen Leben zu erfassen. Diese Daten könnten Forscher oder Therapeuten bei sportmedizinische Anwendungen, zur postoperative Rehabilitation und zur Beurteilung von Bewegungsstörungen in der pädiatrischen Diagnostik hilfreich sein.

Die Thostenson-Forschungsgruppe nutzt Nanoröhrchen-basierte Sensoren auch für andere Anwendungen, wie z.B. das „Structural health Monitoring“, also der Überwachung von Bauwerken. „Wir arbeiten seit langem mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen und auf Nanoröhrchen basierenden Komposit-Sensoren“, sagt Thostenson. In Zusammenarbeit mit Forschern im Bauwesen hat seine Gruppe Pionierarbeit bei der Entwicklung flexibler Nanoröhrchen-Sensoren geleistet, um Risse in Brücken und anderen großflächigen Strukturen zu erkennen.

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