Smarte Kleidung

Das Ohr im Shirt

Von Manfred Lindinger
16.03.2022
, 17:45
Eine piezoelektrische Faser wird in ein Wolldecke eingewoben.
Smarte Kleider liegen im Trend und faszinieren nicht nur Technikfreaks. Jetzt lassen sich mit einer piezoelektrischen Faser anziehbare Hörgeräte oder akustische Sensoren schneidern.
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Kleider sollen längst nicht mehr ihren Träger nur wärmen, kühlen oder vor Wind und Regen schützen. Einige Textilien sind inzwischen auch mit reichlich Elektronik ausstaffiert. So gibt es Jacken und Hemden, in die Puls- und Bewegungsmesser, Feuchtigkeits- und Temperatursensoren sowie veritable Navigationshilfen eingebaut sind. Hemden lassen sich mit flexiblen Displays und einer kleinen Tastatur ausstatten – leuchtende und leitfähige Fasern manchen es möglich. Auch den zum Betrieb notwendigen Strom liefern inzwischen eingewebte dünne Batterien.

Die Fans dieser als smart bezeichneten Textilien können sich nun über eine weitere technische Errungenschaft freuen, die Wissenschaftler vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston in der Zeitschrift „Nature“ präsentieren. Yoel Fink und seine Kollegen haben einen Stoff entwickelt, der akustische Signale ähnlich wie ein Mikrophon verarbeiten kann. Die Träger dieses akustischen Sensors könnten damit sogar ihren eignen Herzschlag „hören“.

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Für ihre Erfindung diente den MIT-Forschern das Ohr als Vorbild. Im Hörorgan werden akustische Signale über das Trommelfell zunächst in mechanische Schwingungen umgewandelt. In den Sinneszellen der Hörschnecke werden daraus dann elektrischen Reize erzeugt, die von Nervenfasern an das Gehirn weitergeleitet werden.

Einige Funktionen des Innenohrs übernimmt in den hörenden Textilien eine spezielle Faser mit piezoelektrischen Eigenschaften. Sie erzeugt ein elektrisches Signal, wenn sie nur leicht gebogen oder verformt wird, etwa durch ankommende Schallwellen. Ihre ganze Wirkung entfaltet die Faser, wenn sie in einen Stoff eingewoben wird. Dieser wirkt dann wie eine Membran: Ankommende Schallwellen werden in mechanische Schwingungen umgewandelt. Diese Vibrationen sind kaum spürbar, reichen aber aus, dass sie elektrische Signale in der piezoelektrischen Faser hervorzurufen. Mit einem Lautsprecher können die elektrischen Signale hörbar gemacht werden.

Tücher werden zu akustischen Sensoren.
Tücher werden zu akustischen Sensoren. Bild: Fink Lab MIT/Elizabeth Meiklejohn RISD

Mehr als nur technische Spielerei

Die piezoelektrische Faser wird in einem Schritt gefertigt. Ausgangsbasis ist ein flacher zentimetergroßer Rohling, der alle zentralen Komponenten enthält: ein piezoelektrisches Polymer, feine Partikeln aus ebenfalls piezoelektrischem Barium-Titanat, einen Kupferdraht sowie ein Elastomer für die spätere Kunststoffverkleidung. Der Rohling wird erhitzt, durch eine enge Düse gepresst und dadurch in die Länge gezogen. Dabei schrumpft der ursprüngliche Durchmesser auf rund zwei Millimeter. Obwohl alles herum „enger“ wird, bleiben die Bestandteile unversehrt. Das Ergebnis ist eine elastische etwa 40 Meter lange Faser, deren Komponenten von einer Kunststoffummantelung geschützt sind. Bei der Herstellung verteilt sich das Bariumtitanat gleichmäßig im piezoelektrischen Polymer, was die Empfindlichkeit der Faser steigert.

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Tests haben gezeigt, dass die Faser auf Geräusche in einem großen akustischen Bereich anspricht, vom Flüstern in einer Bibliothek bis zum Verkehrslärm an einer vielbefahrenen Straße. Die Geräusche versetzen die Faser in Schwingungen, was einen elektrischen Strom hervorurft. Die Stromstärke variiert linear mit dem Schallpegel. „Die akustischen Eigenschaften der Faser sind ähnlich wie bei einem Mikrofon“, sagt Noel.

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Die Forscher haben die Faser mit normalem Garn zu Tüchern verarbeitet. Aufgenäht auf die Rück- und Vorderseite einer Jacke ließ sich feststellen, aus welcher Richtung etwa ein Händeklatschen kam. Die Winkelauflösung betrug bei einem Abstand von drei Metern zur Schallquelle etwa ein Grad. Mit einer Faser, die die Forscher im Brustbereich auf der Innenseite des T-Shirts mit einfachen Nadelstichen befestigten, ließ sich der Herzschlag einer Versuchsperson nachweisen.

Was auf den ersten Blick als technische Spielerei für Technikfreaks erscheint, ließe sich nach Ansicht der Forscher um Fink beispielsweise zur Überwachung schlafender Babys in den ersten Monaten einsetzen. Die Errungenschaft vom MIT könnte auch die Kommunikation von Menschen mit einer Hör- oder Sprachbehinderung erleichtern. Die Forscher haben nämlich festgestellt, dass die Faser nicht nur als Mikrofon verwendet werden kann, sondern auch als Lautsprecher. Ein T-Shirt oder Hemd ließe sich auf diese Weise in ein überziehbares Hörgerät verwandeln.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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