Smarte Kleidung: Wenn das T-Shirt das Herz überwacht
Forschenden der Rice Universität in Houston, Texas, USA, ist es gelungen, einen leitfähigen Nanoröhrenfaden zu entwickeln, der sich in normale Kleidung einarbeiten lässt. So wird das T-Shirt zum smarten Kleidungsstück, das zum Beispiel die Herzfrequenz überwachen kann.
Leitfähige Nanoröhrenfäden, eingearbeitet in T-Shirts, können die Herzfrequenz überwachen.
Foto: Jeff Fitlow/Rice University
Nanoröhren sind weich und flexibel. Sie lassen sich sogar in der Maschine waschen, wenn sie in Kleidung eingenäht sind. Ein Forscherteam um Matteo Pasquali, Chemie- und Biomolekularingenieur am Labor der Brown School of Engineering, experimentierte mit solchen Nanoröhrenfäden, die besonders leitfähig sind. In einem Zick-Zack-Muster wurden sie in den Stoff eines T-Shirts eingearbeitet. Diese Nähtechnik ist wichtig, damit sich der Stoff beim Tragen und Waschen ausdehnen kann, ohne dass Fäden dabei brechen.
Ergebnis: Die Fasern sind ebenso leitfähig wie Metalldrähte, dafür aber waschbar und bequem. Darüber hinaus sind sie nicht so anfällig dafür zu brechen, sobald der Mensch, der das Shirt trägt, sich bewegt. In puncto Datenerfassung seien die Messungen sogar genauer als bei einem herkömmlichen Brustgurt, den man vor allem aus dem Sport kennt. In Kombination mit kommerziellen medizinischen Elektrodenmonitoren sei das smarte Shirt sogar das etwas bessere EKG. EKG steht für Elektrokardiogramm, bei dem die elektrische Aktivität des Herzens gemessen wird und ein Mediziner beurteilen kann, ob das Herz gut funktioniert.
Smarte Kleidung muss eng am Körper anliegen
„Das Hemd muss eng an der Brust anliegen“, sagt Lauren Taylor, Absolventin der Rice Universität und Hauptautorin der Studie. Denn die Fasern stellen nicht nur einen stetigen elektrischen Kontakt mit der Haut des Trägers her, sondern dienen zugleich als Elektroden. So lässt sich das smarte Shirt zum Beispiel per Bluetooth mit einem Smartphone verbinden, auf dem dann die Herzaktivität aufgezeichnet werden kann. Auch eine Verbindung zu einem anderen Gerät, wie zum Beispiel zu einem Überwachungsmonitor sind möglich.
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Matteo Pasquali forscht schon seit 2013 an Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Fasern. Man kennt sie zum Beispiel aus der Medizin, wo Nanoröhren unter anderem bei Herzoperationen eingesetzt werden, oder auch als elektrische Schnittstelle zum Gehirn und ebenso als flexible Antennen für Automobil-, Luft- und Raumfahrtanwendungen. All diese Einsatzgebiete haben er und sein Team untersucht.
Smarte Kleidung: Zick-Zack-Muster lässt sich sehr gut anpassen
Ursprünglich waren die Nanoröhren-Fasern etwa 22 Mikrometer breit und damit zu dünn für eine Nähmaschine. Die Forschenden setzten deshalb auf einen Seilmacher, um Fäden herzustellen, die von der Größe her einem normalen Faden möglichst nah kommen und dann in einer herkömmlichen Nähmaschine verwendet werden können. Dafür arbeiteten Sie mit einem Experten zusammen, der Seile für Schiffsmodelle herstellt. Anfänglich hatten die Forschenden noch versucht, einen solchen Faden von Hand zu weben. Von dem Experten bekamen sie ein Gerät dafür.
Nach verschiedenen Experimenten kamen die Wissenschaftler schließlich auf das Zick-Zack-Muster, mit dem sie die Kohlenstoff-Nanoröhrchen in das Gewebe des T-Shirts einarbeiteten. Denn dieses Muster lässt sich anpassen: Je nachdem wie stark der Stoff sich dehnt, kann man die Zick-Zack-Kurven enger oder weiter fassen. Gemeinsam mit Wissenschaftlern am Texas Heart Institute ermittelten sie, wie sie maximal engen Kontakt zwischen Haut und dem Shirt herstellen.
Neben smarter Kleidung gibt es weitere Anwendungsfelder
Die eingewebten Fasern lassen sich auch in Antennen oder LEDs integrieren. Ändere man noch ein wenig an der Geometrie der Fasern und der dazugehörigen Elektronik wäre es künftig möglich, Vitalfunktionen, Kraftausübung oder Atemfrequenz ganz einfach über solch smarte Kleidung zu überwachen. Die Forschenden sind sich sicher, dass darüber hinaus noch andere Anwendungsfelder möglich sind, wie eine Mensch-Maschine-Schnittstelle für Autos oder Soft-Robotik, als Antennen, Gesundheitsmonitore oder Schutz vor Geschossen in Militäruniformen. „Wir haben vor einigen Jahren mit einem Mitarbeiter gezeigt, dass Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Fasern Energie pro Gewicht besser ableiten können als Kevlar, und das ohne die Verbesserungen, die wir seitdem in puncto Zugfestigkeit erzielt haben“, sagt Lauren Taylor.
„Wir sehen, dass dieses Material nach zwei Jahrzehnten Entwicklung in Laboren weltweit in immer mehr Anwendungen funktioniert“, sagt Pasquali. „Aufgrund der Kombination aus Leitfähigkeit, gutem Hautkontakt, Biokompatibilität und Weichheit sind Carbon-Nanotube-Fäden ein natürlicher Bestandteil von Wearables.“
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