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Professor Fabien Sorin und Doktorand Andreas Leber haben am Laboratorium für Photonische Materialien und Faserbauelemente (FIMAP) der Ingenieurschule der EPFL eine Technologie entwickelt, mit der die Bewegungen eines Körpers erfasst werden können – und noch viel mehr. «Stellen Sie sich Kleidung oder Krankenhausbettlaken vor, die in der Lage sind, Ihre Atmung und andere lebenswichtige Bewegungen zu überwachen, oder KI-betriebene Textilien, die es Robotern erlauben, sicherer und intuitiver mit Menschen zu interagieren», sagt Leber. «Die weichen Übertragungsleitungen, die wir entwickelt haben, öffnen die Tür zu all dem.»
Dehnen, Drücken und Verdrehen
Die Forscher haben einen Sensor erfunden, der verschiedene Arten der Gewebeverformung wie Dehnung, Druck und Drehmoment erkennen kann – und zwar gleichzeitig. «Eine Methode zur Differenzierung all dieser verschlungenen Bewegungen zu finden, war unsere grösste Herausforderung, denn es ist sehr schwierig für Sensoren, mehrere Reize gleichzeitig zu messen», sagt Leber. «Zudem haben herkömmliche Sensoren in Textilien mehrere Nachteile. Erstens sind sie zerbrechlich. Zweitens braucht man viele von ihnen, um eine grosse Fläche abzudecken, wodurch viele der Vorteile von Textilien wegfallen. Und drittens kann jeder herkömmliche Sensortyp nur eine Art von Verformung erkennen.»
Durch die Einbeziehung von Konzepten aus der Reflektometrie gelang es Sorin und Leber jedoch, weiche faserförmige Sensoren zu schaffen, die neue Türen für intelligente Textilien öffnen. «Unsere Technologie funktioniert ähnlich wie ein Radar, sendet aber statt elektromagnetischer Wellen elektrische Impulse aus», erklärt Leber. «Das bedeutet, dass unsere Fasersensoren wie Übertragungsleitungen funktionieren, die aus der Hochfrequenzkommunikation bekannt sind. Das System misst die Zeit zwischen dem Aussenden und dem Empfangen eines Signals und ermittelt daraus den genauen Ort, die Art und die Intensität der Verformung. Diese Art von Detektionstechnologie wurde noch nie zuvor in Strukturen eingesetzt, die eine erweiterte mechanische Flexibilität und eine hohe elektronische Leistung kombinieren, was für die Messung von Verformungen von entscheidender Bedeutung ist.»
Verarbeitung von Flüssigmetall und Glasfaseroptik
Die Herstellung der Fasern ist eine komplexe Aufgabe, bei der ein Verfahren zur Herstellung optischer Fasern auf ungewöhnliche Materialien wie Elastomere oder flüssige Metalle angewendet wird, die als Leiter dienen. «Die Struktur weist mikrometergrosse Merkmale auf und muss perfekt sein, sonst funktioniert sie nicht», sagt Leber. Mit diesen Fasern wird die gesamte Oberfläche eines Gewebes zu einem einzigen grossen Sensor. «Der Trick bestand darin, Übertragungsleitungen zu schaffen, die vollständig aus weichen Materialien bestehen, und zwar mit einer einfachen Methode, die skalierbar ist», fügt Sorin hinzu. Die Forschung des Teams stützte sich auf eine Vielzahl von Disziplinen wie Elektrotechnik, Maschinenbau und Materialwissenschaft. Der nächste Schritt wird darin bestehen, die Technologie tragbarer zu machen, indem der Platzbedarf der peripheren Elektronik reduziert wird.