Erkennen Sie körperliche Erschöpfung mit intelligenter Sportbekleidung

Zusammenfassung: Ein neuer Textilsensor misst Körperbewegungen präzise, ​​ohne dass elektronische Komponenten erforderlich sind. Der Sensor, der an der Trainingskleidung angebracht werden kann, kann in Echtzeit vorhersagen, wie erschöpft Sie während des Trainings sind.

Quelle:ETH Zürich

Erschöpfung macht uns anfälliger für Verletzungen, wenn wir Sport treiben oder körperliche Aufgaben ausführen.

Eine Gruppe von Forschern der ETH Zürich unter der Leitung von Professor Carlo Menon, Leiter des Labors für Biomedizinische und Mobile Gesundheitstechnologie, hat nun einen Textilsensor entwickelt, der in Echtzeit misst, wie erschöpft ein Mensch bei körperlicher Anstrengung ist.

Um ihren neuen Sensor zu testen, integrierten sie ihn in eine Sportleggings. Schon mit einem Blick auf das Smartphone konnten die Tester erkennen, wann sie an ihre Grenzen stoßen und ob sie eine Pause einlegen sollten.

Diese von der ETH Zürich zum Patent angemeldete Erfindung könnte den Weg für eine neue Generation intelligenter Kleidung ebnen: Viele der derzeit auf dem Markt befindlichen Produkte sind mit elektronischen Komponenten wie Sensoren, Batterien oder Chips nachgerüstet. Dies treibt nicht nur die Preise in die Höhe, sondern erschwert auch die Herstellung und Wartung dieser Artikel.

Im Gegensatz dazu kann der dehnbare Sensor der ETH-Forscher direkt in die Materialfasern von dehnbarer, eng anliegender Sport-​ oder Arbeitskleidung integriert werden. Dies macht die Großserienproduktion einfacher und kostengünstiger.

Menon hebt einen weiteren Vorteil hervor: „Da sich der Sensor so nah am Körper befindet, können wir Körperbewegungen sehr präzise erfassen, ohne dass der Träger es überhaupt bemerkt.“

Wenn Menschen müde werden, bewegen sie sich anders – und das Laufen bildet da keine Ausnahme: Die Schritte werden kürzer und unregelmäßiger. Mit ihrem neuen Sensor, der aus einem speziellen Garn besteht, können die ETH-Forscher diesen Effekt messen.

Das liegt an der Struktur des Garns: Die Innenfaser besteht aus einem leitfähigen, elastischen Gummi. Um diese innere Faser wickelten die Forscher einen starren Draht, der mit einer dünnen Kunststoffschicht ummantelt ist, spiralförmig.

„Diese beiden Fasern fungieren als Elektroden und erzeugen ein elektrisches Feld. Zusammen bilden sie einen Kondensator, der eine elektrische Ladung speichern kann“, sagt Tyler Cuthbert, Postdoktorand in Menons Gruppe, der maßgeblich an der Forschung und Entwicklung beteiligt war, die zur Erfindung führte .

Das Einnähen dieses Garns in den Oberschenkelbereich einer dehnbaren Laufleggings bedeutet, dass es sich beim Laufen des Trägers in einem bestimmten Rhythmus dehnt und lockert. Jede Bewegung verändert den Abstand zwischen den beiden Fasern und damit auch das elektrische Feld und die Ladung des Kondensators.

Unter normalen Umständen wären diese Ladungsschwankungen viel zu gering, um die Bewegungen des Körpers messen zu können. Allerdings sind die Eigenschaften dieses Garns alles andere als normal.

„Im Gegensatz zu den meisten anderen Materialien wird unseres tatsächlich dicker, wenn es gedehnt wird“, sagt Cuthbert.

Dadurch reagiert das Garn wesentlich empfindlicher auf minimale Bewegungen. Schon eine leichte Dehnung erzeugt deutlich messbare Schwankungen in der Ladung des Sensors. Dadurch ist es möglich, selbst subtile Veränderungen der Laufform zu messen und zu analysieren.

Doch wie lässt sich daraus der Erschöpfungsgrad eines Menschen ermitteln? In früheren Untersuchungen beobachteten Cuthbert und Menon eine Reihe von Testern, die beim Laufen Sportleggings trugen, die mit einem ähnlichen Sensor ausgestattet waren. Sie zeichneten auf, wie sich die elektrischen Signale veränderten, als die Läufer immer müder wurden.

Ihr nächster Schritt bestand darin, dieses Muster in ein Modell umzuwandeln, das die Erschöpfung von Läufern vorhersagen kann und das nun für ihren neuartigen Textilsensor verwendet werden kann. Aber um sicherzustellen, dass das Modell außerhalb des Labors genaue Vorhersagen treffen kann, sind viele zusätzliche Tests und eine Menge Gangmusterdaten erforderlich.

Damit der Textilsensor elektrische Signale drahtlos an ein Smartphone senden kann, rüsteten die Forscher ihn mit einer Schleifenantenne aus leitendem Garn aus, die ebenfalls direkt auf die Leggings genäht wurde.

„Sensor und Antenne bilden zusammen einen Stromkreis, der vollständig in das Kleidungsstück integriert ist“, sagt Valeria Galli, Doktorandin in Menons Gruppe.

Das elektrische Signal wandert vom dehnbaren Sensor zur Antenne, die es mit einer bestimmten Frequenz überträgt, die von einem Smartphone gelesen werden kann. Der Träger läuft und der Sensor bewegt sich, wodurch ein Signalmuster mit kontinuierlich schwankender Frequenz entsteht, das dann eine Smartphone-App in Echtzeit aufzeichnet und auswertet. Doch bis das gelingt, haben die Forscher noch einiges an Entwicklungsarbeit vor sich.

Derzeit arbeiten die Forscher daran, aus ihrem Prototyp ein marktreifes Produkt zu entwickeln. Zu diesem Zweck bewerben sie sich um eines der begehrten Pioneer Fellowships der ETH Zürich.

„Unser Ziel ist es, die Herstellung intelligenter Kleidung kostengünstig zu machen und sie so einer breiteren Öffentlichkeit zugänglich zu machen“, sagt Menon.

Die Einsatzmöglichkeiten sieht er über den Sport hinaus auch am Arbeitsplatz – zur Vorbeugung von erschöpfungsbedingten Verletzungen – sowie in der Rehabilitationsmedizin.

Autor:Christoph ElhardtQuelle:ETH ZürichKontakt:Christoph Elhardt – ETH ZürichBild:Das Bild stammt von Valeria Galli / ETH Zürich

Ursprüngliche Forschung: Open Access. „Helical Auxetic Yarn Capacitive Strain Sensors with Sensitivity Beyond the Theoretical Limit“ von Cuthbert T et al. Fortgeschrittene Werkstoffe

Abstrakt

Spiralförmige kapazitive Dehnungssensoren aus auxetischem Garn mit einer Empfindlichkeit jenseits der theoretischen Grenze

Die Entwicklung flexibler Dehnungssensoren im letzten Jahrzehnt konzentrierte sich auf die Erzielung hoher Dehnungsprozentsätze und hoher Empfindlichkeit (d. h. Dehnungsfaktoren). Dehnungssensoren, die Kapazität als elektrisches Signal zur Korrelation mit der Dehnung nutzen, sind aufgrund des Poisson-Effekts typischerweise in ihrer Empfindlichkeit eingeschränkt.

Durch den Einsatz auxetischer Strukturen wurden die Empfindlichkeitsgrenzen kapazitiver Sensoren überschritten, was die Wettbewerbsfähigkeit dieser Sensormodalität verbessert hat.

In dieser Arbeit wird der erste Einsatz spiralförmiger auxetischer Garne als kapazitive Sensoren vorgestellt. Es wurde festgestellt, dass die Reaktion der kapazitiven Sensoren aus spiralförmigem auxetischem Garn (als HACS bezeichnet) von den beiden Hauptherstellungsvariablen abhängt – dem Verhältnis der Durchmesser und der Länge der spiralförmigen Umhüllung.

Abhängig von diesen Variablen können Sensoren erhalten werden, die auf Dehnungen mit zunehmenden oder abnehmenden Kapazitätswerten reagieren.

Ein größerer auxetischer Charakter führt zu größeren Empfindlichkeiten, die bei kleineren Dehnungen zugänglich sind – eine Eigenschaft, die beim Zugriff auf Faktoren mit hoher Stärke nicht häufig anzutreffen ist. Darüber hinaus wird die bisher höchste Empfindlichkeit für auxetisch-kapazitive Sensoren erreicht.

Es wird ein Mechanismus der Sensorreaktion vorgeschlagen, der sowohl die variable Kapazitätsreaktion als auch die experimentell erhaltenen hohen Eichfaktoren erklärt.