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Wearables

Dehnbare Elektronik einfacher und schneller herstellen

| Redakteur: Juliana Pfeiffer

Die Herstellung von dehnbarer Elektronik, die beispielsweise als Wearable in Kleidung genäht werden kann, ist bisher sehr aufwendig. Zwei Informatiker der Universität des Saarlandes wollen das mit einem Laserschneider ändern.

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Die Forscher entwickelten drei Prototypen in nur 5 Minuten: ein transparentes Armband mit Leuchtdiode, eine flexible Steuerung für Computerspiele und ein Sensor, der den Beugungsgrad in einer Ellenbogenbandage misst.
Die Forscher entwickelten drei Prototypen in nur 5 Minuten: ein transparentes Armband mit Leuchtdiode, eine flexible Steuerung für Computerspiele und ein Sensor, der den Beugungsgrad in einer Ellenbogenbandage misst.
(Bild: Universität des Saarlandes)

Eine Jacke, die durch das Zupfen am Ärmel eingehende Anrufe verstummen lässt. Eine Bandage, die Alarm schlägt, wenn das zu schonende Gelenk zu stark gebeugt wird. Das sind zwei von vielen Anwendungen, die nur mit dehnbaren Schaltkreisen machbar sind. „Aktuelle Herstellungsverfahren sind jedoch zeitaufwendig und sehr komplex“, erklärt Daniel Gröger, Informatik-Doktorand an der Universität des Saarlandes.

Zusammen mit Professor Jürgen Steimle hat er daher ein Verfahren entwickelt, mit dem sich dehnbare Schaltkreise in nur wenigen Minuten produzieren lassen. Herzstück des Verfahrens ist ein sogenannter Laserschneider. Sein Laserstrahl trägt kontinuierlich und gepulst Material ab. Auf diese Weise macht er sehr viele genaue Schnitte in kürzester Zeit. Das nutzen die Forscher aus, indem sie den Laser mehrmals ein bestimmtes Muster, ähnlich in der Form eines Ypsilon, in das Material schneiden lassen.

Die Größe des Musters, die Dicke seiner Linien und der Abstand zwischen den Schnitten bestimmen die Dehnbarkeit des Materials. Dieses wiederum besteht aus einer leitenden und nichtleitenden Schicht. Daraus entsteht der Schaltkreis, indem der Laser während des Schneidens die leitende Schicht an vorab definierten Stellen abträgt.

Schnitte automatisiert planen

Da nicht nur das schnelle, akkurate Schneiden für Menschen schwierig ist, sondern auch das Planen dieser Schnitte, haben die Forscher dieses ebenfalls automatisiert. Das Ergebnis ist eine Software, über die Designer ähnlich wie bei einem Zeichenprogramm die Umrisse des Stückes angeben und festlegen, was davon dehnbar sein soll. Den Grad der Dehnbarkeit bestimmen sie über einen virtuellen Schieberegler.

Zum Schluss platzieren sie noch die elektronischen Komponenten. Danach berechnet die Software Position und Beschaffenheit der Ypsilons samt Schaltkreis und zeigt alles an. Das blitzschnell erzeugte Ergebnis ist nicht selbstverständlich, da das Berechnen der besten Leiterroute bisher sehr viel Rechenzeit und Rechenkraft benötigte. Die Forscher haben jedoch eine Abkürzung ausgetüftelt, indem sie das Rechenproblem als Graph darstellen, für den eine effiziente Berechnung möglich ist.

Drei Prototypen in 5 Minuten

Auf diese Art und Weise haben die Forscher drei Prototypen produziert und dabei jeweils weniger als fünf Minuten benötigt. Der erste ist ein transparentes Armband mit einer Leuchtdiode. An dessen Seite befindet sich eine Lasche, ähnlich wie das Drehrad (Krone) seitlich an einer Uhr. Sowohl das Ziehen am Armband als auch an der Lasche schalten die Leuchtdiode ein und aus. Das erfülle die Grundfunktionalität einer Stoppuhr, so Gröger. Ein Ziehen an der Lasche entspreche dem Start und Stopp. Ziehe man am Armband, beginne die Zeitmessung erneut.

Die beiden weiteren Prototypen sind eine flexible Steuerung für Computerspiele und ein Sensor, der in eine Ellbogenbandage integriert ist und den Beugungsgrad misst. Die dafür verwendeten Materialien, wie zum Beispiel mit Indiumzinnoxid beschichtete Kunststofffolien, sind im Online-Handel erhältlich. Daher, so Gröger, können mit dem neuen Verfahren auch Personen, die nicht mit Materialforschung vertraut sind, dehnbare Schaltkreise erstellen.

Die Forscher weisen darauf hin, dass die bisherigen Versuchsmodelle mindestens tausend Dehnungen aushalten und damit noch nicht kommerziellen Qualitätskriterien entsprechen. Dennoch ist Gröger überzeugt: „Auch wenn die Technologie noch verbessert werden muss, die Konzepte werden halten.“

Ihre Forschung haben die Wissenschaftler mit Fördermitteln aus dem Horizon 2020-Programm der Europäischen Union und mit Geldern des Exzellenzclusters „Multimodal Computing and Interaction“ finanziert.

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