Stellen Sie sich vor, Sie tragen ein Hemd, das sich wie normale Kleidung anfühlt, können aber Echtzeitdaten über Ihre Gesundheit und die Umgebung erhalten. Die Kleidung kann auch automatisch erwärmt oder gekühlt werden und Ihnen während Ihrer Reise sogar Informationen zu örtlichen Verkehrsmitteln, Restaurants und Sehenswürdigkeiten anzeigen. Um noch einen Schritt weiter zu gehen, könnten dieselben Fasern zur Behandlung neurologischer Erkrankungen oder zur taktilen Rückmeldung von Ärzten bei Fernoperationen eingesetzt werden, was mittlerweile Realität wird.
Ein Forschungsteam der Fudan-Universität in Shanghai, China, gab kürzlich bekannt, dass es komplexe elektronische Schaltkreise in flexiblen Fasern konstruiert hat, die dünner als menschliches Haar sind, und so einen ultrafeinen Computerfaden namens „Faserchip“ geschaffen hat. Die entsprechenden Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Nach Angaben des Teams wird diese Technologie seit mehr als zehn Jahren mit dem Ziel entwickelt, eine wirklich flexible Computer- und Sensorplattform bereitzustellen, die für tragbare Geräte, intelligente Textilien und eine neue Generation von Gehirn-Computer-Schnittstellen in Massenproduktion hergestellt werden kann.
Dies ist nicht das erste Mal, dass intelligente Fasern auftauchen. Die wissenschaftliche Forschungsgemeinschaft versucht seit vielen Jahren, leitfähige und sensorische Funktionen in Stoffe einzubetten, um eine unsichtbarere und natürlichere Mensch-Computer-Interaktion zu erreichen. Allerdings war es schon immer eine technische Hürde, komplexe elektronische Komponenten auf so kleinem Raum wie Baumwollgarn unterzubringen. Obwohl herkömmliche Chips immer kleiner werden, besteht gleichzeitig ein natürlicher Konflikt zwischen ihrer flachen, starren Struktur und dem weichen Stoff, der es schwierig macht, sie wirklich „wie Stoff“ zu biegen und zu verdrehen.
Um diese Einschränkung zu durchbrechen, verzichtete das Fudan-Team auf die Idee, elektronische Komponenten auf die Oberfläche von Textilien zu „kleben“, und nutzte stattdessen Laminierung und spiralförmige Wickelstrukturen, um dreidimensionale Schaltkreise im Inneren ultrafeiner Fasern aufzubauen. Bei dieser Architektur integrierten die Forscher rund 10.000 Transistoren in eine nur 1 mm lange Faser und erreichten damit eine Rechenleistung, die in etwa der eines Herzschrittmacherchips entspricht. Das Team wies darauf hin, dass bei einer Verlängerung dieser Faser auf einen Meter (etwa 3,3 Fuß) voraussichtlich Millionen von Transistoren Platz finden. Die Gesamtrechenleistung kann mit der eines typischen Desktop-Computers vergleichbar sein, und diese „Recheneinheiten“ existieren immer noch in Form von Fäden und können in Kleidung eingewebt werden.
Darüber hinaus ist jede Faser mit Komponenten wie Widerständen, Kondensatoren und Dioden integriert und bildet so ein Hybridsystem mit geschlossenem Regelkreis, das digitale und analoge Signale gleichzeitig verarbeiten kann, wodurch es nicht nur leistungsfähig ist, sondern auch in der Lage ist, Signale zu erfassen und aufzubereiten. Dies bedeutet, dass von zukünftigen intelligenten Textilien erwartet wird, dass sie die Datenerfassung, Vorverarbeitung und Übertragung auf der „Single-Line“-Ebene abschließen, anstatt auf sperrige externe Module angewiesen zu sein.
Berichten zufolge beträgt der Durchmesser dieses Faserchips etwa 50 Mikrometer, während der Durchmesser eines gewöhnlichen menschlichen Haares etwa 70 Mikrometer beträgt, sodass er in Bezug auf Sicht und Haptik näher an herkömmlichen Textilfasern liegt. Seine sehr weichen mechanischen Eigenschaften eignen sich nicht nur für die Verarbeitung zu Kleidung, sondern entsprechen auch den mechanischen Eigenschaften von Weichgeweben wie Gehirngewebe und eröffnen Raum für seine Implantationsanwendungen im Bereich der Neuromedizin. Das Forschungsteam wies in der Arbeit darauf hin, dass dieses Material eine herausragende Leistung in Bezug auf Weichheit und Biokompatibilität aufweist und voraussichtlich ein Plattformmaterial für intelligente Nervenimplantate und andere weiche medizinische Geräte werden wird.
„Der menschliche Körper besteht hauptsächlich aus Weichgewebe, daher benötigen neue Bereiche wie zukünftige Gehirn-Computer-Schnittstellen dringend weiche und hochgradig nachgiebige elektronische Systeme.“ Peng Huisheng, ein Forscher an der Fudan-Universität und einer der Leiter dieser Studie, sagte in einem Interview mit der Nachrichtenagentur Xinhua. Berichten zufolge soll diese Technologie künftig zur Linderung von Symptomen im Zusammenhang mit der Parkinson-Krankheit, Epilepsie, Schlaganfall und anderen Krankheiten eingesetzt werden oder in Präzisionsgeräte integriert und als hochempfindliches Sensorelement eingesetzt werden.
Im Hinblick auf tragbare Anwendungen hat das Forschungsteam Faserchips verwendet, um einen „intelligenten taktilen Handschuh“ zu entwickeln. Chen Peining vom Institut für Fasermaterialien und -geräte der Fudan-Universität sagte, dass diese Art von Handschuhen genauso aussehen und sich genauso anfühlen wie gewöhnliche Stoffe, aber die Berührung verschiedener Objekte spüren und simulieren können. Bei ferngesteuerten Roboteroperationen wird von Ärzten, die solche Handschuhe tragen, erwartet, dass sie Unterschiede in der Gewebehärte „spüren“ und so bei Fernoperationen ein intuitiveres taktiles Feedback erhalten.
Das wissenschaftliche Forschungsteam betonte außerdem, dass Laborprototypen auch die Probleme der Großserienfertigung und Haltbarkeit lösen müssen, damit sie zu echten Anwendungen werden können. Zu diesem Zweck übernehmen sie eine Prozesstechnologie, die in hohem Maße mit der bestehenden Chipindustrie kompatibel ist, und behaupten, die Massenproduktion von Faserchips erreicht zu haben. In Tests, die den täglichen Gebrauch simulieren, überstanden die Fasern mehr als 10.000 Biege- und Reibungszyklen und blieben funktionsfähig; In Zugversuchen hielten die Fasern einer Dehnung von etwa 30 % stand und konnten sich leicht verdrehen. Darüber hinaus hat es 100-maliges Waschen mit Wasser sowie Drucktests bei etwa 100 Grad Celsius und dem Äquivalent eines 15,6-Tonnen-LKW-Ballasts überstanden.
Derzeit arbeitet das Forschungsteam mit Krankenhäusern zusammen, um die Faserchip-Technologie in die Herz-Kreislauf-Chirurgie zu überführen und ihre mögliche Anwendung in Kathetern, Stents oder chirurgischen Hilfsmitteln zu erforschen. „Wir hoffen, dass elektronische Stoffe, die auf ‚Faserchips‘ basieren, eines Tages in der Lage sein werden, Informationen genauso effizient auszutauschen wie heutige Mobiltelefone und Computer“, sagte Chen Peining.