WP1507 Smarte Textilien

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Veranstaltung PS Biomechanik
Autor Thomas Arnold
Tobias Bystrek
Bearbeitungsdauer 45 min
Präsentationstermin 27.01.2016
Zuletzt geändert 20.01.2016


1. Einleitung

Im Rahmen unseres Seminars Biomechanik haben wir uns intensiver mit dem Thema intelligente Textilien (smart textiles/clothes) beschäftigt. Wir werden Euch im Folgenden zuerst einen Gesamteindruck verschaffen, wie der aktuelle Stand der Technik ist und später auf konkrete Beispiele eingehen, wie die Umsetzung in der Industrie abläuft und in welchem Bereich intelligente Textilien/ Stoffe zum Einsatz kommen.
Definiert werden Intelligente Textilien als Kleidungsstücke, in denen beispielsweise leitfähige Filamente eingesetzt werden, oder die durch die Integration von Mikroelektronik, Sensorik, Aktorik eine völlig neue Funktionalität erhalten. Aktuelle Anwendungsfelder sind dabei: Heizen, Überwachung, Leuchten und Kommunikation.
Jedoch ist die Entwicklung dieser Branche so rasant und vielfältig, dass die Punkte Navigation, Sicherheit, Spiel und Spaß mit großer Wahrscheinlichkeit ebenfalls in naher Zukunft kommerzielle Anwendung finden werden.
Darüber hinaus gibt es noch die intelligenten Stoffe (smart Materials), welche autark also ohne äußere Regulierung auf bestimmte Umwelteinflüsse reagieren, sowie das Motion Capture, das in diesem breitgefächerten Feld den Bezug zur Biomechanik herstellen kann.

verfasst von Tobias Bystrek



Einführendes Video



2. Textile Sensorik/Aktorik

Im folgenden Abschnitt werden die Begriffe Sensor und Aktor und deren Vorkommen bei Textilen kurz dargestellt. Sensoren (lat. sentire = fühlen/empfinden) sind technische Bauteile, die bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften ihrer Umgebung qualitativ oder quantitativ erfassen können.
Mithilfe von textilen Sensoren können verschiedenste Messungen vorgenommen werden wie zum Beispiel Bewegung, Druck, (kapazitiven Sensor, textiler Plattenkondensator), Dehnung(resistiver Sensor, textiler Dehnmessstreifen) Annäherung(kapazitiven Sensor), Biosignale, Schaltfunktionen, Umweltdaten.
Aktoren dagegen sind das Gegenstück zu Sensoren und setzen Signale, die vom Sensor erfasst wurden in (oftmals mechanische) Arbeit um. Textile Aktoren haben bisher ein noch weniger ausgeprägtes Anwendungsspektrum, dieses umfasst meist wärmende(Widerstandsheizung) oder leuchtende Aktoren(leuchtende Beschichtungen).

verfasst von Thomas Arnold



3. Exkurs: Prozessphasen innovativer Produkte

Ich möchte nun kurz auf die Entstehung eines neuen innovativen Produkts eingehen. Welche Prozesse werden dabei durchlaufen und was bedeutet der Begriff Innovation eigentlich? Unter Innovation versteht man eine neue Marktleistung, also etwas Neues was es bisher in dieser Form noch nicht gab und das nun für möglichst viele Menschen nützlich sein soll (vgl. Buck, 2014).
Dabei kann Neues allerdings nur entstehen, wenn es aus Erkenntnissen aus der Vergangenheit aufbauen kann. Hierbei steht natürlich der Nutzen für den Anwender im Vordergrund, also die Frage: „Welchen Vorteil hat der Verbraucher durch mein Produkt?“.

Der Prozess der Innovation selbst kann nun in fünf Phasen gegliedert werden, welche natürlich nicht strikt voneinander getrennt sind, sondern fließende Übergänge besitzen:

               1. Phase: Vorstellungen
               2. Phase: Vorhaben
               3. Phase: Lösungen
               4. Phase: Angebote
               5. Phase: Verbundenheit

Diese fünf Phasen werden im Folgenden kurz erklärt: In der 1. Phase wächst durch Kommunizieren mit Kollegen eine Idee heran, die immer weiterwächst. Jedoch sollte man sich nicht nur Firmenintern darüber unterhalten, sondern auch Kunden befragen, ob sie eine solche Idee begrüßen bzw. im Endeffekt kaufen würden. In diesem Abschnitt ist jedoch alles noch sehr allgemein und offen dafür, sich in verschiedene Richtungen entwickeln zu können. Dabei ist noch unklar, ob die Idee weiterverfolgt oder gar produziert wird.
Die Phase des „Vorhaben“ bringt nun einige Probleme mit sich. Wohlmöglich haben sich nun verschiedene Theorien entwickelt und nun muss entschieden werden, welche weiterverfolgt wird. Dabei spielt sie Frage der zur Verfügung stehenden Ressourcen des jeweiligen Unternehmens eine große Rolle.
Phase 3, die Lösungsphase versucht nun die Bedürfnisse des Endverbrauchers und Möglichkeiten des Unternehmens zusammenzufügen und dabei die Diskrepanz geringer werden zu lassen. Hierbei ist es wichtig, nach und nach Erkenntnisse zu liefern, die interessante Lösungen beinhalten.
In der vorletzten Phase beschäftigt man sich nun damit, ein konkretes Produktangebot für den Endverbraucher zu erstellen. Hierbei führt Buck (2014) beispielsweise Faktoren wie Lieferzeiten, Leistungsversprechen und Kosten auf.
Die 5. und damit letzte Phase ist die Verbundenheit. Hier geht es darum, die Beziehung zu den Kunden aufzubauen. Denn erst wenn das Produkt auf dem Markt ist, kann man abschätzen, wie gut es ankommt und ob Kunden dadurch eventuell sogar auf andere Produkte der Firma aufmerksam werden oder ob man noch Veränderungen vornehmen muss.

verfasst von Tobias Bystrek

4. Smarte Textilien im Sport

Auch im Sport finden smarte Textilien mittlerweile in vielen Bereichen ihre Verwendung. Angefangen mit überarbeitetem Feuchtigkeitsmanagement bei Funktionsbekleidung, über integrierte Herzfrequenz-Sensoren in Oberbekleidung bis hin zu Bewegungs-Sensoren, die eine Analyse von Bewegungsabläufen ermöglichen. Im folgenden werden einige Beispiele erläutert:

4.1 Bionische Sportbekleidung

Die Funktion herkömmlicher Sportbekleidung besteht darin, Schweiß vom Körper weg nach außen hin zu transportieren, sodass die Feuchtigkeit an der Außenseite verdunsten kann und der Körper trocken gehalten wird. Damit soll dessen Auskühlen verhindert werden. Die Schwachstelle dieses Ansatzes besteht darin, dass bei hohen Temperaturen mehr Energie vom Körper aufgewendet werden muss, um die Körpertemperatur(ca. 37 Grad Celsius) stabil zu halten, da die Feuchtigkeit auf der Außenseite der Bekleidung und nicht auf dem Körper verdunstet. Durch das Ausbleiben dieser Form der Kühlung und dem Aufwand des Körpers diese zu ersetzen, kann er seine Energie nicht in Bewegung umsetzen.
An diesem Punkt setzt die bionische Kleidung an. Mit ihr soll eine konstante Körperkerntemperatur erreicht werden, damit weniger Energie für die Regulation der Temperatur aufgewendet werden muss und somit mehr Energie für die eigentliche sportliche Aktivität zur Verfügung steht. Umgesetzt wird dies durch eine dreidimensionale Kanalstruktur des Textils, bei dem nach innen (zum Körper hin) und nach außen geöffnete Kanäle parallel zueinander liegen. Der überschüssige Schweiß wird vom Stoff aufgenommen und kann durch die Kanalstruktur auf einer (im Vergleich zur Haut) größeren Fläche verdunsten, wodurch der Kühlvorgang effizienter wird.
Auch einem Auskühlen wird durch diese Kanäle vorgebeugt, da durch die Körperwärme die Luft in den Kanälen aufgewärmt und somit nach Außen einen isolierenden Effekt hat.



4.2 Integrierte Sensoren

Während es in den letzten Jahren im Ausdauersport kaum alternative Lösungen für die Aufzeichnungen der Herzfrequenz gab, als den Sensor mit einem Gurt um die Brust zu tragen und die Erfassung der Kadenz(Schrittfrequenz) nur durch separate Sensoren außen an den Schuhen erfasst werden konnte, ist es vielen Sensoren(die direkt im Stoff verarbeitet werden) nun möglich, immer mehr Daten des Athleten zu erfassen. Eine weitere positive Entwicklung ist, dass diese Sensoren immer kleiner werden und somit weniger störend für den Athleten sind.
Beispiele: 1. Ein T-Shirt, in dem ein Herzfrequenz-Sensor, ein Atemfrequenz-Sensor(der auch umgesetzte Luft in l/min errechnet) und Bewegungs-Sensoren integriert hat, mit denen die Beschleunigung und die Schrittfrequenz aufgezeichnet werden. 2. Smarte Socken, in die textile Drucksensoren eingearbeitet sind. Hiermit kann auch zum Einen die Kadenz erfasst werden, zum Anderen aber auch die Druckverteilung beim Laufen zwischen Ferse und Vorrufe beobachtet werden. Dies ist zum Beispiel bei einer Umstellung des Laufstils oder beim Beobachten der Lauftechnik und des „Abroll-Verhaltens“ nützlich.

4.3 Faseroptischer Bewegung-Sensor"

Eine weitere, für die Analyse von Bewegungen nützliche Entwicklung, stellt der Faseroptische Bewegung-Sensor dar. Umgesetzt wird er mit Hilfe eines auf der Außenseite des Stoffes wellenförmig angebrachten Fadens, durch den ein Lichtimpuls gesendet wird. In der Ausgangsposition wird eine genau definierte Menge des Lichts gestreut und sobald sich die Faser durch die Bewegungen (z.B. eines Gelenks) krümmt, vergrößert sich die Menge des gestreuten Lichts. Durch die Größe der Abweichung kann die Stärke der Bewegung errechnet werden.
Mit dieser Technologie kann z.B. die Bewegung des Armes während einer Wurfbewegung analysiert werden, um so die Wurftechnik zu verbessern.

verfasst von Thomas Arnold



5. Intelligente Stoffe in allen Branchen

Selbstverständlich ist der Bereich der intelligenten Textilien bzw. intelligenten Stoffen nicht nur bei den großen Sportartikelherstellern oder im Sport allgemein ein heißes Thema, sondern in nahezu allen erdenklichen Brachen wird geforscht, um dortige Produkte oder Anwendungen „smarter“ zu machen. Viele Unternehmen und Forschungseinrichtungen sind dabei sehr gut miteinander vernetzt und versuchen in regelmäßig stattfindenden Symposien, möglichst viel voneinander zu lernen und sich über den aktuellen Stand der Forschung zu informieren. Dabei können die unterschiedlichsten Branchen plötzlich Schnittmengen entdecken. Dazu ein Beispiel aus dem Bereich der intelligenten Stoffe:
Das sogenannte Smart Rope. Ein Seil, das den Anwender über den aktuellen Verschleißzustand informiert und prognostiziert, wann es zu reißen droht. Im Hinblick auf die Branche, in der ein solches Seil nützlich sein könnte, kommt dem Leser wahrscheinlich spontan der Klettersport in den Sinn. Doch nicht nur der Sport mit seiner Vielzahl von Sportarten würde von einem solchen Smart Rope erheblich profitieren, sondern beispielsweise auch in den Bereichen Aufzugbau, Bergungsdienst und Abschleppunternehmen kommen Seile zur Anwendung, deren Versagen Menschenleben kosten könnte.



6. Anforderungen an smarte Textilien

Natürlich müssen smarte Textilien und deren Technologie gewisse Anforderungen erfüllen, um für den Endverbraucher praktikabel zu sein. Diese Anforderungen sind:

                 1. Optik (Bestfall: „unsichtbar“ für Benutzer)
                 2. geringes Gewicht
                 3. geringer Energiebedarf
                 4. einfache Handhabe
                 5. Flexibilität
                 6. Trage- und Waschbeständigkeit
                 7. geringe Kosten
                 



7. Motion Capture

Abb.1 Anwendungsbeispiel für Motion Capture

Eine weitere, wenn auch abgewandelte Form der intelligenten Textilien ist sicherlich das Motion Capture, das sich der Biomechaniker Simon Fraser bereits 1980 für seine Untersuchungen zunutze gemacht hat. So hat sich diese Technologie nicht nur im Sport oder der Medizin als unterstützendes Medium etabliert, sondern auch in der Filmindustrie wird dieses System häufig eingesetzt (Bsp. Filme wie Avatar, Fluch der Karibik, Planet der Affen) Im Folgenden wird die grobe Funktionsweise dieser Technologie erklärt:

7.1 Funktionsweise

Beim Motion Capture trägt eine Versuchsperson einen Anzug, der an den Körpergelenken mit Sensoren ausgestattet ist. Durch Bestimmung der Position (per Tracking System) aller bewegten Gelenke zum selben Zeitpunkt, ist es möglich, die aktuelle Körperhaltung des Akteurs zu ermitteln. Allerdings müssen hierbei die geometrischen Beziehungen der Gelenke untereinander bekannt sein. Ohne diese Information erhielte man auf dem PC, an welchen die Daten übermittelt werden, lediglich eine Ansammlung von Punkten im Raum. Die Lösung liefert das menschliche Skelett selbst, welches die Gelenke ordnet und somit durch eine entsprechende Ausrichtung der Positionsdaten die exakte Körperhaltung auf dem Monitor nachgebildet werden kann. Wiederholt man diesen Vorgang in kurzen, gleichmäßigen Abständen, erhält man nicht nur die Körperhaltung, sondern alle Bewegungen der Testperson.

Abb. 2 Vereinfachtes Prinzip der Funktionsweise

verfasst von Tobias Bystrek



8. Zusammenfassung und Ausblick

In diesem Wiki wurde dem Leser ein Überblick über das sich rasant weiterentwickelnde Feld der Smarten Textilien gegeben. Somit sollte der Leser nach dem Durcharbeiten des Inhaltes einen groben Einblick in die Definition und Funktionsweise, der eingearbeiteten Technik, den Entstehungsprozess, das breit gefächerte Anwendungsgebiet und die Anforderungen Smarter Textilien/Stoffe erhalten haben. In Anbetracht der technischen Neuerungen und den Möglichkeiten, immer mehr Technik auf kleinstem Raum zu verbauen, darf man durchaus gespannt sein, welche Entwicklungen in naher Zukunft in diesem Feld auf den Markt kommen, die unser Leben wieder ein wenig „smarter“ machen.

verfasst von Thomas Arnold

Fragen

1.Erkläre den Begriff Sensor und für welche Aufgaben Sensoren in Textilien verarbeitet werden ?
2.Nenne 3 aktuelle und 2 zukünftige Anwendungsfelder intelligenter Textilien ?
3. Welche für den Laufsport interessanten Daten können mithilfe von smarten Socken erhoben werden ?

Quellen

[1] Lipinski, K., (2015). Definition Sensor. Zugriff am 04.01.2016 unter http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Sensor.sensor.html
[2] Richter, K.,(2014). Textile Aktorik. Zugriff am 04.01.2016 unter http://itp-gmbh.de/technologiekompetenzen/elektrisch-leitfaehige-textilien/textile-aktorik
[3] Richter, K., (2014). Textile Sensorik. Zugriff am 04.01.2016 unter http://itp-gmbh.de/technologiekompetenzen/elekttisch-leitfaehige-textilien/textile-sensorik
[4]Lambertz, P., (2015). Technologien. Zugriff am 06.01.2016 unter https://www.x-bionic.de/labs/technologien
[5]Lambertz, P., (2015). CCR- Technologie. Zugriff am 06.01.2016 unter https://www.x-bionic.de/labs/technologies/37-ccr-technology/426321
[6]Vindel, D., (2014). Innovation in wearable tech. Zugriff am 02.01.2016 unter http://www.cambridgeconsultans.com/media/press-releases/innovation-wearable-tech
[7]Mathew P., (2009). 3 major benefits of motion capture technology. Zugriff am 02.01.2016 unter http://www.tubetorial.com/blog/3-major-benefits-of-motion-capture-technology/
[8]Buck, B. (2014) Wie entsteht Innovation? Die Fünf Phasen Des Innovationsprozeses Zugriff am 22.12.2015 unter https://spielraum.xing.com/2014/12/wie-entsteht-innovation-die-fuenf-phasen-des-innovationsprozesses-2/

Abbildungsverzeichnis

Abb.1 Mathew P., (2009). 3 major benefits of motion capture technology. Zugriff am 02.01.2016 unter http://www.tubetorial.com/blog/3-major-benefits-of-motion-capture-technology/
Abb.2 Weisel, C. (2004). Entwicklung eines markerbasierten Motion Capturing-Systems für Echtzeitanwendungen. Zugriff am 28.12.2016 unter http://digdok.bib.thm.de/volltexte/2005/3321/pdf/diplomarbeit.pdf



biomechanik/projekte/ss2015/smarttextiles.txt · Zuletzt geändert: 08.12.2016 08:27 von Filip Cengic
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