Du bist nicht allein
Berührungssensitive und elektrisch verformbare Textilien sollen Streicheleinheiten übermitteln
Smart Materials in Textilien könnten in Zukunft Streicheleinheiten aufnehmen und online übermittelte Berührungen wiedergeben. Forscher versprechen sich davon menschliche Nähe auf Entfernung.
Menschen begegnen einander heute oft auf Entfernung, besprechen sich mehr und mehr in Videokonferenzen oder treffen sich in virtuellen Räumen. Ganz ohne Berührungsgesten kommt ein Mensch aber nicht dauerhaft aus, wenigstens ab und zu braucht man mal ein Schulterklopfen oder Streicheleinheiten. Smarte Textilien sollen in Zukunft eine Möglichkeit eröffnen, sich in virtuellen Räumen gegenseitig zu berühren. Dabei dienen elektroaktive Polymere (EAP), also Kunststoffe, die bei angelegter elektrischer Spannung ihre Form verändern, als Sensoren und zugleich als Aktoren.
Besonders schwierig ist die seelische Situation für Kleinkinder in medizinischer Quarantäne, deren geschwächtes Immunsystem nicht einmal Besuche der Eltern erlaubt. Im Projekt Multi-Immerse entwickeln Projektpartner an der Universität des Saarlands, der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlands, am Saarbrücker Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA) sowie am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) gemeinsam virtuelle Räume, die alle Sinne ansprechen. Paul Motzki will mit seinem Team am ZeMA Kleidungsstücke beisteuern, die körperliche Nähe übertragen sollen.
Die Forscher am ZeMA arbeiten mit EAP in Form von dielektrischen Elastomeren (DE). Konkret setzen sie Silikonfolien ein, nur 50 Mikrometer stark und damit etwa so dünn wie eine Frischhaltefolie. Die bedrucken sie auf beiden Seiten mit Carbon Black, einer Art leitfähiger Rußpartikel. Wenn man dort eine elektrische Spannung anlegt, ziehen die Elektroden auf beiden Seiten der Folie einander an. Im Ergebnis wird die inkompressible Folie dadurch dünner, dafür wächst sie in Länge und Breite. Ohne Spannung kehrt das Silikon wieder in seine Ausgangsform zurück. Dieser Vorgang ist millionenfach wiederholbar und lässt sich sogar in schnellen Frequenzen von 80 bis 200 Hertz schalten. Damit die Veränderungen aber auf der Haut zu spüren sind, benötigen die Forscher noch einen Kniff.
Luftpolster erzeugen spürbare Vibrationen
Sie haben Luftkammern konstruiert, auf der Oberseite abgeschlossen durch das dielektrische Elastomer und auf der unteren, dem Körper zugewandten Seite durch eine passive dehnbare Folie. Wenn man nun oben eine elektrische Spannung anlegt, dehnt sich das DE aus und die passive Folie an der Haut erschlafft. Ohne Spannung zieht sich das DE wieder zusammen und die passive Folie wird wegen des Luftdrucks in der Kammer wieder straff. „Damit die Vibrationen auf der Haut spürbar sind, brauchen wir Hübe von 0,2 bis 0,5 Millimeter, die können wir auf diese Weise erzeugen“, berichtet Motzki. Über den voreingestellten Druck in der Luftkammer lässt sich sogar individuell einstellen, wie stark die Vibrationen zu spüren sind.
Derzeit fahren die Forscher am ZeMA Tests mit unterschiedlichen Gasen in den Luftkammern und verschiedenen Drücken für die mechanische Vorspannung. Weitere Parameter sind die Steifigkeit der Membranen, die Spannungsamplitude und die Frequenz, mit der das DE geschaltet wird. Das nächste Ziel besteht darin, Textilien mit zahlreichen kleinen Luftpolstern zu übersäen, die der Anwender über eine zentrale Vorspann-Druckluftversorgung nach seinem persönlichen Empfinden einstellen kann. Damit wird es dann möglich, Streichbewegungen nachzubilden, die sich in verschiedene Richtungen ausbreiten.
Einen ersten Prototyp für solche Anwendungen hat das ZeMA bereits im Herbst auf Konferenzen vorgestellt. Dabei handelt es sich um eine Unterarmmanschette, die drei noch etwas klobige, große Luftkammern trägt. Die Manschette ist zunächst aus Elastomer gefertigt, die Luftkammern haben 3D-gedruckte Gehäuse. In Zukunft hoffen die Forscher, mit Herstellern funktioneller Textilien zusammenzuarbeiten. Erfahrung mit integrierten Membranen in hautfreundlichen Kleidungsstücken kann hilfreich sein, wenn es darum geht, eine Vielzahl kleinerer Luftpolster in einer Zwischenschicht zu produzieren.
Aktor und Sensor zugleich
Eine Besonderheit von DE als Smart Material: Sie erzeugen nicht nur aktorisch Bewegung, sondern können zugleich als Sensoren Druck und Bewegungen messen (siehe Grafik auf S. 77). Mit Elektroden auf der Ober- und Unterseite kann man ein DE als einen Kondensator betrachten. In dem Moment, in dem man die Silikonfolie zusammendrückt oder dehnend auseinanderzieht, ändert sich der Abstand der Elektroden voneinander und damit messbar auch die Kapazität dieses Kondensators. Der Sensor verzeichnet somit Stärke und Dauer einer Berührung, mehrere Sensoren nebeneinander geben Auskunft über flächige Kontakte und die Richtung einer Streichbewegung.
Um die komplexen Daten nicht nur eines Sensors, sondern sogar eines ganzen Sensorfelds zu interpretieren, arbeiten die Entwickler am ZeMA inzwischen mit Datenmodellen, also mit angepassten neuronalen Netzen. „Datengetriebene Modelle helfen uns, die Sensorsignale in Echtzeit zu interpretieren und weiterzugeben. Das ist für uns vor allem eine Frage der Rechenzeit“, sagt Motzki. Es gibt auch physikalische Modelle, die das Verhalten der Sensoren sehr genau widerspiegeln, aber die haben sich als sehr rechenintensiv erwiesen und überfordern die kleinen Mikrocontroller, die die Wearables nutzen. Die datengetriebenen Modelle arbeiten dagegen extrem effizient und schnell.
Umarmung im virtuellen Raum
Das Projekt Multi-Immerse erstreckt sich über fühlende und streichelnde Manschetten oder Jacken hinaus auf Begegnungsräume in der virtuellen Welt. Die Projektpartner entwickeln gemeinsam Räume, Avatare und die Übergabe der Daten virtueller Berührungen an die haptische Schnittstelle auf der Haut.
Derzeit ist das Projekt terminiert bis Ende 2025. Bis dahin können die Partner aber nur erste Demonstrationsmodelle fertigstellen, schätzt Motzki. Aus diesem Grund verfassen die Beteiligten zur Zeit Folgeanträge, um das Projekt weiterführen zu können. In einem Zeitraum von vier bis sechs Jahren werde es dann möglich sein, realitätsnahe Prototypen zu bauen, mit denen Eltern ihre kleinen Kinder auf der Quarantänestation tatsächlich virtuell besuchen und ihnen beispielsweise die Hand auf die Schulter legen können.
Die Gefahr, dass ein Mensch im virtuellen Raum zu hart angefasst werden könnte und etwa blaue Flecke davonträgt, ist laut Motzki gering. Die eingesetzte DE-Folie ist für größere Krafteinwirkungen nicht geeignet. Außerdem lassen sich unangenehme Überraschungen schon in der Entwicklung ausschließen, indem man einen geeigneten Druck für die Luftpolster voreinstellt und eine passende Membranstärke wählt. Allerdings wollen die Forscher derzeit noch versuchen, die am DE erforderlichen elektrischen Spannungen zu senken. Derzeit arbeiten sie mit Spannungen im Bereich von 2 Kilovolt. Das ist zwar bei nur geringem Stromfluss nicht gefährlich: Jeder Wollpulli kann beim An- und Ausziehen höhere Spannungen erzeugen. Gleichwohl soll sich der Anwender vor Durchschlägen und Kurzschlüssen sicher fühlen können.
Vielversprechende Folie
Das eingesetzte DE in Folienform hat sich inzwischen als Grundlage für weitere Anwendungen durchgesetzt. Es ist ein robustes und chemisch sowie thermisch unproblematisches Material, das auf elektrische Signale ohne große Verzögerung anspricht, die Physiker sprechen von einer geringen Hysterese.
Am ZeMA arbeitet man seit einiger Zeit mit Silikonfolien von Wacker Chemie, die man am Institut selbst mit Elektrodenschichten bedruckt. Unter dem Markennamen Nexipal bietet Wacker seit 2023 selbst ein DE-Material an: Silikonfolien unterschiedlicher Stärken zwischen 10 und 400 Mikrometer, in mehreren Lagen übereinander und jeweils mit Elektroden beschichtet. Wacker bezeichnet diese geschichteten Foliensysteme im Handel als Laminate. Die gibt es entsprechend ihrer Funktion als aktorische Komponente unter der Marke Nexipal Act und als sensorische Folie unter dem Namen Nexipal Sense.
DE-Aktoren lassen sich prinzipiell sehr klein konstruieren, was ihren Einsatz im Automobil, in der Robotik, in der Elektroindustrie oder der Medizintechnik interessant macht. „Die Folien können als leichter, kleiner Ersatz für Elektromagneten in Aktoren dienen, beispielsweise in der Ventiltechnik. Oder man kann mit den Folien einfache, energieeffiziente Pumpen konstruieren“, sagt Motzki.
Auf der anderen Seite berichtet Wacker, dass Nexipal Sense bereits in einer Reihe von Sensoren steckt, die durch Druck verformt werden und kapazitive Änderungen proportional zur Kraft messen. Die Laminate finden so beispielsweise Anwendung in Dehnungs- und Drucksensoren, wo sie Temperaturen zwischen –40 und +180 °C vertragen.
Mateligent, eine Ausgründung des Intelligent Material Systems Lab an der Universität des Saarlands, beschäftigt sich ebenfalls mit der Entwicklung von Systemen auf der Basis dielektrischer Elastomere. Das Start-up hat zunächst Sensoren für den Leistungssport entwickelt, Textilien und Wearables für Shirts und Brustgurte beispielsweise sowie sensorische Schuhsohlen. Ein Pilotkunde entwickelt Textilien, die Gelenkwinkel und -bewegungen tracken können, um damit Physiotherapie online anbieten zu können.
Interesse der Gaming- und Erotikbranche
Bereits im Frühjahr 2024 haben die ZeMA-Forscher ihre Multi-Immerse-Zwischenergebnisse auf der Hannover Messe präsentiert und damit bei Unternehmen unterschiedlicher Art Interesse geweckt. Die möglichen Einsatzgebiete reichten von neuen Ideen für Computerspiele der Zukunft bis hin zu erotischen Anwendungen. „Die Herausforderung besteht darin, die Basistechnologie zu einem marktreifen Produkt weiterzuentwickeln“, sagt Motzki. Diese Hürde scheint den meisten Interessenten bisher noch zu hoch.
Mit der Weiterentwicklung des Projekts Multi-Immerse dürfte es aber nur eine Frage der Zeit sein, bis Spieleentwickler die entstehenden smarten Textilien als Vorbild nehmen, um Gamer auch haptisch in ihre Spielewelten und Abenteuer zu entführen, und das nicht nur wie bisher über vibrierende Paddles, sondern durch die wirklichkeitsnahe Wiedergabe menschlicher Berührungen. Und was im Projekt als moralische Hilfe für erkrankte Kinder konzipiert wurde, könnte mittelfristig auch im Erotikmarkt virtuelle Onlinetreffen mit einem besonderen Kitzel versehen. (agr@ct.de)