Intelligente Textilien 14.11.2018, 07:00 Uhr

Eingestickte Polymerfäden für die Energieversorgung

Die Entwicklung tragbarer Biosensoren schreitet immer weiter voran, aber sie benötigen Energie. Wissenschaftler der University of Massachusetts Amherst haben jetzt einen Ladungsspeicher geschaffen, der direkt ins Gewebe gestickt werden kann.

T-Shirt mit eingesticktem Ladungsspeicher

Wie ein ausgefallenes Emblem sieht der eingestickte Mikro-Superkondensator aus. Er ist leicht und unauffällig und soll Biosensoren in Kleidung mit Energie versorgen.

Foto: Trisha L. Andrew / University of Massachusetts Amherst

Die Gesundheitsbranche verspricht sich viel von der Entwicklung tragbarer Biosensoren. Werden sie in intelligente Kleidung integriert, wäre es zum Beispiel möglich, mit ihnen Blutzuckerwerte zu überwachen oder das detaillierte Bewegungsmuster des Trägers zu erfassen. Dafür ist es jedoch entscheidend, eine unkomplizierte und langlebige Stromversorgung zu schaffen. Wissenschaftler der University of Massachusetts Amherst haben einen Lösungsvorschlag: Ihr Ladungsspeichersystem wird direkt in den Stoff gestickt.

Diagnostik und Monitoring durch Biosensoren

Die Medizin befindet sich im Wandel. Auf der einen Seite herrscht in vielen Ländern ein Mangel an Ärzten und Pflegekräften, auf der anderen Seite macht die Technik große Fortschritte, sodass sich einige Vorgänge unter Umständen langfristig automatisieren ließen. Von tragbaren Biosensoren versprechen sich Gesundheitsexperten besonders viel. Sie könnten beispielsweise das Monitoring bei chronischen Krankheiten unterstützen, die Diagnostik durch eine gezielte Datenerfassung verbessern oder durch frühzeitige Analysen zur Prävention beitragen.

Grundsätzlich steigt die Akzeptanz für solche technischen Hilfsmittel, wie auch der wachsende Mark an Wearables zeigt. Biosensoren, die in Stoffe integriert sind, hätten dabei den Vorteil, dass sie wie ein normales Kleidungsstück getragen werden können. Außerdem ist die Bandbreite der möglichen Anwendungen sehr groß. Beispielsweise hat es bereits viel versprechende Versuche mit Biosensoren gegeben, die krankheitstypische Chemikalien aufspüren und anzeigen. Für die Akzeptanz der intelligenten Kleidung muss jedoch ein wichtiges Problem gelöst werden: die Energieversorgung. Sie muss leicht, platzsparend und flexibel sein. Das ist bei Smart T-Shirts noch wichtiger als bei Smart Watches oder bei digitalen Brillen, wo sich Energiespeicher etwas leichter integrieren lassen.

Mikro-Superkondensator aus leitfähigen Fäden

Ein Team um die Materialchemikerin Trisha L. Andrew an der University of Massachusetts Amherst hat jetzt eine Methode entwickelt, um ein Ladungsspeichersystem direkt in den Stoff zu sticken. Die Forscher haben leitfähige Fäden mit einem Polymerfilm bedampft und mit einer speziellen Technik so ins Gewebe eingearbeitet, das die Fäden dreidimensionale, ausgerichtete Elektroden bildeten. Entstanden ist dabei ein Mikro-Superkondensator, der also extrem klein ist und im Verhältnis trotzdem viel Energie speichern kann. Da er eingenäht ist, bewegt er sich flexibel mit dem Gewebe, was für einen hohen Tragekomfort sorgen soll.

„Mit dieser Arbeit zeigen wir, dass wir mit den dampfbeschichteten Fäden, die unser Labor herstellt, buchstäblich ein Ladungsspeichermuster auf jedes Kleidungsstück aufbringen können. Das öffnet die Tür für das einfache Nähen von Schaltkreisen an selbstversorgenden intelligenten Kleidungsstücken“, ist Andrew überzeugt. Sie fügt hinzu, das es bislang zwar schon häufiger gelungen sei, verschiedene elektronische Schaltungskomponenten bemerkenswert zu verkleinern. Die Entwicklung entsprechender Miniatur-Ladungsspeicheräte hinke jedoch hinterher. Für ihre Ergebnisse macht sie unter anderem die Fortschritte bei der Dampfabscheidung verantwortlich – die sie als Textilwissenschaftlerin normalerweise kaum einsetze. Inzwischen sei diese aber günstiger als früher und zudem gut skalierbar.

Intelligente Textilien in der Entwicklung

Andrew und ihr Team arbeiten jetzt mit Kollegen vom Institute for Applied Life Sciences’ Personalized Health Monitoring Center zusammen, das ebenfalls an der University of Massachusetts Amherst angesiedelt ist. Gemeinsam wollen sie das neue Ladungsspeichersystem mit elektronischen Textilsensoren und Mikroprozessoren mit geringem Stromverbrauch kombinieren. Entstehen soll dabei zunächst einmal intelligente Kleidung, die Bewegungsmuster des Trägers überwacht.

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