Mit der smarten Laufhose Erschöpfung erkennen

Wer ersch?pft ist, verletzt sich leichter ¨C sowohl beim Sport als auch bei k?rperlicher Arbeit. ETH-Forschende um Carlo Menon, Professor f¨¹r mobile Gesundheitstechnologien, haben nun einen Textilsensor entwickelt, der in Echtzeit misst, wie ersch?pft Menschen w?hrend k?rperlicher Belastung sind. Getestet haben sie den neuen Senor an einer Laufhose. Mit einem Blick auf das Smartphone konnten die Probanden feststellen, wann sie an ihre Belastungsgrenze kommen und besser eine Pause einlegen sollten.

Die von der ETH Z¨¹rich zum Patent angemeldete Erfindung k?nnte den Weg ebnen f¨¹r eine neue Generation von smarten Kleidern: Denn bei vielen auf dem Markt verf¨¹gbaren Produkten werden elektronische Bauteile wie Sensoren, Batterien oder Chips nachtr?glich an der Kleidung fixiert. Dies macht die Herstellung umst?ndlich, f¨¹hrt zu hohen Preisen und erschwert die Pflege der Produkte.

Im Unterschied dazu wird der Dehnungssensor der ETH-Forschenden direkt in die Stofffasern elastischer und enganliegender Sport- oder Arbeitskleidung integriert, was die industrielle Produktion erleichtert und den Preis senkt. Ein weiterer Vorteil: ?Durch den engen K?rperkontakt des Sensors k?nnen wir K?rperbewegungen sehr genau erfassen, ohne dass der Nutzer oder die Nutzerin das bemerkt?, sagt Menon.

Ein aussergew?hnliches Garn

Wenn Menschen m¨¹de werden, bewegen sie sich anders. So auch beim Laufen: Die Schritte werden k¨¹rzer und weniger regelm?ssig. Diesen Effekt messen die ETH-Forschenden mit ihrem neuen Sensor, der aus einem speziellen Garn besteht.

M?glich wird dies durch den Aufbau des Garns: Die innere Faser besteht aus einem leitenden, elastischen Gummi. Spiralf?rmig um diesen herum wickelten die Forschenden einen steifen Draht, der mit einer d¨¹nnen Kunststoffschicht verkleidet ist. ?Die beiden Fasern wirken als Elektroden und erzeugen ein elektrisches Feld. Sie bilden gemeinsam einen Kondensator, der eine elektrische Ladung speichern kann, die wir als Kapazit?t bezeichnen?, erkl?rt Tyler Cuthbert, der als Postdoc in Menons Gruppe forschte und massgeblich an der Entwicklung beteiligt war.

Die intelligente Laufhose

Stickt man dieses Garn nun auf der H?he des Oberschenkels auf eine elastische Laufhose wird es beim Laufen in einem gewissen Rhythmus gedehnt und wieder gelockert. Bei jeder Bewegung ?ndert sich der Abstand zwischen den beiden Fasern und damit auch das elektrische Feld sowie die Kapazit?t des Kondensators.

Unter normalen Umst?nden w?ren diese Kapazit?tsschwankungen sehr klein und w¨¹rden nicht ausreichen, um damit K?rperbewegungen messen zu k?nnen. Doch die Eigenschaften des Garns sind alles andere als normal: ?Im Unterschied zu den meisten anderen Materialien wird es dicker, wenn man daran zieht?, erkl?rt Cuthbert. Dadurch wird das Garn sehr viel sensibler gegen¨¹ber kleinsten Bewegungen. Dehnt es sich geringf¨¹gig aus, entstehen deutlich messbare Schwankungen in der Kapazit?t des Sensors. Bereits subtile Ver?nderungen im Laufverhalten k?nnen so gemessen und ausgewertet werden.

Doch wie kann man daraus die M¨¹digkeit einer Person ableiten? In einem fr¨¹heren Forschungsprojekt haben Cuthbert und Menon eine Reihe von Probanden beim Laufen beobachtet, w?hrend sie eine Laufhose mit einem ?hnlichen Sensor trugen. Sie zeichneten auf, wie sich die elektrischen Signale des Sensors bei zunehmender M¨¹digkeit ?nderten. Aus diesem Muster haben die Forschenden dann ein Modell erstellt, das die Ersch?pfung von L?ufern vorhersagt und auch f¨¹r den neuen Textilsensor eingesetzt werden kann.  Damit das Modell auch ausserhalb des Labors zuverl?ssige Vorhersagen macht, braucht es allerdings noch zahlreiche weitere Tests und eine Menge Bewegungsdaten.

Textilantenne f¨¹r die kabellose Daten¨¹bertragung

Um die elektrischen Signale des Textilsensors ohne Kabel an ein Smartphone zu ¨¹bertragen, haben ihn die Forschenden mit einer Spulenantenne aus leitendem Garn verbunden, die ebenfalls direkt auf die Laufhose gestickt wurde. ?Sensor und Antenne bilden zusammen einen elektrischen Schaltkreis, der vollst?ndig in der Kleidung integriert ist?, sagt Valeria Galli, Doktorandin in Menons Gruppe.

Das elektrische Signal des Dehnungssensors f¨¹hrt nun dazu, dass die Antenne ein Signal in einer bestimmten Frequenz aussendet, das von einem Smartphone gelesen werden kann. Wird der Sensor w?hrend des Laufens bewegt, entsteht ein Signalmuster mit einer st?ndig schwankend Frequenz, die von einer App in Echtzeit aufgezeichnet und ausgewertet werden kann. Dies ist allerdings Zukunftsmusik und erfordert noch einiges an Entwicklungsarbeit.

Anwendungen im Sport und am Arbeitsplatz

Aktuell arbeiten die Forschenden daran, aus dem Prototyp ein marktreifes Produkt zu machen. Daf¨¹r bewerben sie sich um eines der begehrten Pioneer Fellowship der ETH Z¨¹rich. ?Unser Ziel ist, intelligente Kleidung g¨¹nstiger herzustellen und damit einer breiteren ?ffentlichkeit zug?nglich zu machen?, sagt ETH-Professor Menon. Anwendungen sieht Menon dabei nicht nur im Sport, sondern auch am Arbeitsplatz, um erm¨¹dungsbedingten Verletzungen vorzubeugen, oder im Bereich der Rehabilitationsmedizin.