Forscher am College of Design and Engineering (CDE) der Nationaluniversität Singapur haben eine Faser entwickelt, die gleichzeitig als Pixel fungiert und Berührungen wahrnimmt. Sie haben 54 dieser Fasern in einen Ärmel integriert und so den weltweit ersten in ein Kleidungsstück eingebauten Touchscreen geschaffen.
Der Ärmel zeigt Bilder und Videos an, reagiert auf Fingerdruck und lässt sich drahtlos mit anderen Geräten verbinden, bleibt dabei aber genauso waschbar, atmungsaktiv und flexibel wie gewöhnliche Kleidung. Die Erfindung des Teams ermöglicht die Herstellung von Kleidungsstücken, die als direkte Schnittstelle zu den Gesundheitsdaten des Trägers und dessen digitalen Geräten dienen, ganz ohne starren Bildschirm.
Die uns vertrauten Bildschirme, wie sie beispielsweise in Smartphones und Laptops zu finden sind, präsentieren grafische Benutzeroberflächen (GUIs) in der Regel auf flachen, starren Panels, die Informationen anzeigen und Interaktion ermöglichen. Textilien, die aus eindimensionalen Fasern gewebt sind, konnten diese Fähigkeit bisher nicht erreichen. Ein vollfarbiges, berührungsempfindliches Display, das wie Garn eingewebt werden kann, war bislang unerreichbar.
„Möglich wurde dies durch unsere Fähigkeit, das GUI-System aus elektronischen Bausteinen in Form von Fasern aufzubauen – ähnlich wie bei herkömmlichem Garn, jedoch mit hochentwickelten elektronischen Funktionen, die direkt in die Fasern integriert sind“, erklärte Assistenzprofessor Khudiyev.
Verbindung von Tausenden von Chips entlang eines Fadens
Um ein faserbasiertes Kleidungsstück-Display zu entwickeln, entwickelte das NUS-Team ein programmierbares Verfahren, bei dem entlang winziger, isolierter Drähte genau dort Verbindungspunkte geschaffen werden, wo sie für jeden Mikrochip benötigt werden. Ein Laser belichtet diese Stellen, während eine kontrollierte Oberflächenbenetzung dafür sorgt, dass das geschmolzene Lötzinn nur an den programmierten Punkten haftet. Auf diese Weise gelang es dem Team, mehr als 5.000 Chips über mehr als 20.000 elektrische Verbindungen zu integrieren.
Der Streifen aus miteinander verbundenen digitalen LEDs wurde anschließend mithilfe eines thermischen Ziehverfahrens in eine mehrschichtige Faser integriert. Dieses Verfahren ermöglicht die präzise Anordnung der berührungsempfindlichen Schichten und der Pixelschichten innerhalb eines Fadens, der nur 1 mm dick und 10 m lang ist. Eine Schicht unterhalb der LEDs erfasst Berührungen – durch Drücken der Faser wird ein Stromkreis geschlossen, und das Signal gibt genau an, wo der Finger aufgesetzt hat, sodass das nächstgelegene Pixel aufleuchtet.
„Eine Faser hat eine eindimensionale, achsensymmetrische Geometrie, was es schwierig macht, komplexe Schaltkreise mit Ansätzen zu bauen, die für herkömmliche zweidimensionale Elektronik entwickelt wurden“, fügte Assistenzprofessor Khudiyev hinzu. „Wir haben diese Einschränkung durch eine neue Verbindungsarchitektur überwunden, die es ermöglicht, Tausende von mikroelektronischen Bauelementen entlang einer Faser zu integrieren und miteinander zu verbinden.“
Jenseits des Touchscreens: Tragen Sie Ihre Apps am Ärmel
Im Prototyp des Teams wurden 54 Pixelfasern, die jeweils 96 LEDs tragen, in den Unterarm eines Ärmels eingewebt, um ein 96 × 54 Pixel großes Display mit den Maßen 168 mm × 105 mm zu bilden, das mit einer Farbtiefe von 8 Bit 30 Bilder pro Sekunde anzeigt. Jede Faser verfügt über einen eigenen Steuerkanal, sodass bei einem Defekt in einer Leitung die benachbarten Fasern weiterhin normal funktionieren und das System mehrere Berührungen gleichzeitig erfassen kann. Neben den Pixelfasern integrierte das Team auf die gleiche Weise hergestellte Peripheriefasern, die ein Mikrofon, einen Lautsprecher sowie Sensoren tragen, die Bewegungen erfassen, den magnetischen Nordpol lokalisieren, die Temperatur messen und die Helligkeit der Umgebung erfassen.
Zusammen unterstützen die Fasern die Funktionen, die frühere Generationen von Smartphones ausführen konnten: einen Taschenrechner bedienen, eine Fotogalerie anzeigen, ein Video mit 30 Bildern pro Sekunde abspielen (25 Bilder pro Sekunde bei synchronisiertem Ton), als Kompass dienen, auf Sprachbefehle reagieren und Bilder über Bluetooth empfangen. Sie können sogar den Bildschirm drehen und die Helligkeit automatisch anpassen. Wird die temperaturmessende Faser unter dem Arm positioniert, ermöglicht sie es dem Ärmel, die Körpertemperatur zu erfassen und anzuzeigen.
Wichtig ist, dass sich das Kleidungsstück weiterhin wie Stoff verhält. Die Lichtleistung und die Berührungsempfindlichkeit blieben nach 50 Waschgängen mit Waschmittel in einer herkömmlichen Waschmaschine sowie nach 1.000 Biegungen mit einem Radius von 5 mm nahezu unverändert. Darüber hinaus ist das integrierte Display ebenso atmungsaktiv wie Baumwolle, Polyester und Denim und bleibt innerhalb der festgelegten Sicherheitsgrenzwerte für Hautkontakt.
Kleidung als Schnittstelle
Kleinere Mikrochips und dünnere Fasern, die beide mit der Methode des Teams kompatibel sind, eröffnen den Weg zu schärferen und größeren Displays. Da sich die Anzeige- und Sensorelemente über die gesamte Länge der Faser erstrecken, lassen sich die dünneren Fasern zudem mit handelsüblichen Industriemaschinen stricken, weben und sticken. Dieselbe Technologie könnte eines Tages auch andere Funktionen erfüllen, wie beispielsweise die Überwachung von Gesundheitswerten und die Rückmeldung von Berührungen.
„Das Gesundheitswesen ist ein besonders vielversprechender Anwendungsbereich“, sagte Assistenzprofessor Khudiyev. „Ein Kleidungsstück könnte über faserbasierte Sensoren kontinuierlich physiologische Daten erfassen und es dem Träger ermöglichen, direkt über seine Kleidung auf diese Informationen zuzugreifen und mit ihnen zu interagieren. In Kombination mit Künstlicher Intelligenz (KI) könnte dies eine personalisierte Gesundheitsüberwachung, Rückmeldung und Unterstützung ermöglichen. So wie Smartphones Anwendungen ermöglichten, die zu Beginn kaum vorstellbar waren, könnten Kleidungs-GUIs letztendlich völlig neue Anwendungen ermöglichen, die es noch gar nicht gibt.“
Wie geht es weiter?
Der nächste Schritt des Forschungsteams besteht darin, den textilen Touchscreen weiterzuentwickeln – hin zu höherer Auflösung, integrierter Sensorik und geräteinterner KI –, um Anzeige, Berührung, Sensorik und Intelligenz auf einer einzigen textilen Plattform zu vereinen. Diese Konvergenz könnte die Technologie weit über einen tragbaren Bildschirm hinausführen – hin zu Kleidung, die sowohl den Träger als auch dessen Umgebung versteht und Informationen oder Interaktion bereitstellt, wann und wo sie benötigt werden.
Die Forscher entwickeln derzeit eine neue Schnittstelle zwischen Mensch und digitaler Intelligenz – eine, die über ein Gerät hinausgeht, das Nutzer bei sich tragen, und zu einem natürlichen Bestandteil ihrer Kleidung wird.
