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Neuartige Faser für intelligente Textilien
Forscherinnen und Forscher der EPFL haben ein einfaches und schnelles Mittel gefunden, um superelastische und extrem leistungsfähige Fasern aus verschiedenen Materialien herzustellen. Einige von ihnen fungierten bereits als Sensoren auf Roboterfingern und in Textilien. Die Methode ebnet den Weg für die Herstellung intelligenter Textilien und neuartigen medizinischen Implantaten.
Es handelt sich um einen völlig neuartigen Sensor. Er hat die Form einer winzigen Elastomerfaser, die aus verschiedenen Materialien wie Elektroden und Nanoverbundstoffpolymeren besteht. Diese Faser kann jeden Druck und jede Verformung genau spüren und sich um fast 500% deformieren, bevor sie wieder ihre ursprüngliche Grösse annimmt. Damit ist sie ideal, um intelligente Textilien zu entwerfen, medizinische Prothesen auszurüsten oder künstliche Nerven für die Robotik zu bieten.
Diese Entdeckung stammt direkt aus dem von Fabien Sorin an der Fakultät für Ingenieurwissenschaft und Technologie der EPFL geleiteten Labor für Fasern und Fotonikwerkstoffe (FIMAP). Die Forscherinnen und Forscher haben ein einfaches und schnelles Verfahren erarbeitet, um alle Arten von Mikrostrukturen in superelastische Fasern einzubauen. Indem mehrere Elektroden an strategischen Orten platziert werden, werden die Fasern zu äusserst empfindlichen Sensoren. Mit dem Verfahren können in kurzer Zeit mehrere Hundert Meter Fasern hergestellt werden. Es wurde in der Fachzeitschrift Advanced Materials beschrieben.
«Diese Faser kann jeden Druck und jede Verformung genau spüren und sich um fast 500% deformieren, bevor sie wieder ihre ursprüngliche Grösse annimmt.»
Erwärmen, dann ziehen!
Die Wissenschaftler benutzen die klassische, bei der Herstellung von Glasfaser verwendete Methode des thermischen Faserziehens. Zuerst wird eine makroskopische Version der Faser aus Materialien gebildet, die gemäss einem festgelegten dreidimensionalen Motiv organisiert sind. Diese Vorform wird anschliessend erwärmt und dann wie geschmolzener Plastik in die Länge gezogen, bis Fasern mit einem Durchmesser von wenigen 100 Mikron entstehen. Im Innern verlängern sich die Motive entlang der Faser, werden aber in der Querrichtung dünner. So verändert sich ihre relative Positionierung nicht. Auf diese Weise entsteht eine Faser mit sehr komplexer Mikroarchitektur und fortgeschrittenen Eigenschaften.
Bisher konnten nur starre Fasern mit dieser Methode hergestellt werden. Fabien Sorin und sein Team nutzten sie nun jedoch, um elastische Fasern zu produzieren. Dank eines neuen Kriteriums für die Auswahl der Materialien konnten sie eine Art von plastischen Elastomeren identifizieren, die beim Erwärmen eine hohe Viskosität aufweisen. Nach dem Faserziehen können die Fasern in die Länge gezogen und verformt werden, kehren aber immer in ihren Ursprungszustand zurück.
Ausserdem konnten steife Materialien wie Nanoverbundstoffpolymere, Metalle, Thermoplastik, aber auch leicht verformbare flüssige Metalle in diese Fasern eingeführt werden. «Wir können beispielsweise drei Elektrodenkanäle oben in der Faser und einen Kanal unten platzieren. Je nach der Richtung, aus der Druck ausgeübt wird, kommen unterschiedliche Elektroden in Kontakt und senden ein spezifisches Signal. Dadurch können wir genau herausfinden, welche Art der Verformung auf die Faser einwirkt, und beispielsweise eine Komprimierung von Scherkräften unterscheiden», erklärt Fabien Sorin.
Künstlicher Nerv für Roboter
In Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Oliver Brock (Labor für Robotik und Biologie, Technische Universität Berlin) ist es den Forscherinnen und Forschern bereits gelungen, diese Fasern als künstliche Nerven in Roboterfinger einzubauen. Bei jeder Berührung sendet die verformte Faser Signale über die Interaktion zwischen dem Roboter und seinem taktilen Umfeld. Auch ein grobmaschiges Testkleidungsstück wurde mit solchen Fasern ausgestattet, um Druck- und Zugkräfte zu erfassen. «Wir könnten beispielsweise eine Tastatur direkt in die Kleidungsstücke integrieren», sagt Fabien Sorin.
Die Forscherinnen und Forscher denken an zahlreiche weitere Anwendungsmöglichkeiten, umso mehr als ihr Herstellungsverfahren für eine Produktion in grossem Massstab leicht angepasst werden kann. Ein Trumpf für die Industrie. Der Textilsektor hat schon grosses Interesse an dieser neuen Technologie bekundet, und es wurden Patente angemeldet.