Pumpen in Faserform eingewebt in Kleidung
Viele flüssigkeitsbasierte, tragbare Hilfstechnologien benötigen heute eine grosse und laute Pumpe, die kaum – oder gar nicht – in die Kleidung integriert werden kann. Dies führt zu einem Widerspruch: Tragbare Geräte werden routinemässig an nicht tragbare Pumpen angeschlossen. Forschende des Soft Transducers Laboratory (LMTS) an der Fakultät für Ingenieurwissenschaft haben nun eine elegante und einfache Lösung für dieses Dilemma entwickelt.
«Wir stellen die weltweit erste Pumpe in Form einer Faser vor, d. h. einen Schlauch, der seinen eigenen Druck und Durchfluss erzeugt», sagt LMTS-Leiter Herbert Shea. «Jetzt können wir unsere Faserpumpen direkt in Textilien und Kleidung einnähen und herkömmliche Pumpen hinter uns lassen.»
LMTS Faserpumpe © LMTS EPFL
Die ins Gewebe eingewobene Faser © LMTS EPFL
Leicht, leistungsstark... und waschbar
Sheas Labor hat eine lange Tradition in der zukunftsweisenden Fluidik. Im Jahr 2019 stellten sie die erste dehnbare Pumpe der Welt her.
«Diese Arbeit baut auf unserer vorherigen Generation von Soft-Pumpen auf», sagt Michael Smith, ein LMTS-Postdoktorand und Hauptautor der Studie. «Das Faserformat ermöglicht es uns, leichtere, leistungsfähigere Pumpen herzustellen, die von Natur aus besser mit tragbarer Technologie kompatibel sind.»
Die LMTS-Faserpumpen nutzen ein Prinzip namens Ladungsinjektion-Elektrohydrodynamik (EHD), um einen Flüssigkeitsstrom ohne bewegliche Teile zu erzeugen. Zwei schraubenförmige Elektroden, die in die Pumpenwand eingebettet sind, ionisieren und beschleunigen die Moleküle einer speziellen, nicht leitenden Flüssigkeit. Die Ionenbewegung und die Form der Elektroden erzeugen einen Nettovorwärtsfluss der Flüssigkeit, was zu einem geräuschlosen, vibrationsfreien Betrieb führt, der nur ein handtellergrosses Netzteil und eine Batterie benötigt.
Um die einzigartige Struktur der Pumpe zu erreichen, haben die Forschenden eine neuartige Herstellungstechnik entwickelt, bei der Kupferdrähte und Polyurethanfäden um einen Stahlstab gewickelt und dann durch Hitze verschmolzen werden. Nach dem Entfernen des Stabs können die 2 mm dicken Fasern mit herkömmlichen Web- und Nähtechniken in Textilien integriert werden.
Die einfache Konstruktion der Pumpe hat eine Reihe von Vorteilen. Die benötigten Materialien sind billig und leicht verfügbar, und der Herstellungsprozess lässt sich leicht skalieren. Da der von der Pumpe erzeugte Druck direkt mit ihrer Länge zusammenhängt, können die Schläuche auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten werden, um die Leistung zu optimieren und das Gewicht zu minimieren. Die robuste Konstruktion kann auch mit herkömmlichen Reinigungsmitteln gewaschen werden.
Herstellung der Faserpumpe © LMTS EPFL
Demonstration der verwebten Pumpe © LMTS EPFL
Vom Exoskelett zur virtuellen Realität
Die Autoren haben bereits gezeigt, wie diese Faserpumpen in neuen und interessanten tragbaren Technologien eingesetzt werden können. So können sie beispielsweise heisse und kalte Flüssigkeiten durch Kleidungsstücke zirkulieren lassen, die in Umgebungen mit extremen Temperaturen oder in therapeutischen Umgebungen zur Behandlung von Entzündungen eingesetzt werden, und sogar für diejenigen, die ihre sportlichen Leistungen optimieren wollen.
«Diese Anwendungen erfordern ohnehin lange Schläuche, und in unserem Fall sind die Schläuche die Pumpe. Das bedeutet, dass wir sehr einfache und leichte Flüssigkeitskreisläufe herstellen können, die bequem und angenehm zu tragen sind», sagt Smith.
In der Studie werden auch künstliche Muskeln aus Stoff und eingebetteten Faserpumpen beschrieben, die als Antrieb für weiche Exoskelette verwendet werden könnten, um Patienten beim Bewegen und Gehen zu helfen.
Die Pumpe könnte sogar eine neue Dimension in die Welt der virtuellen Realität bringen, indem sie das Gefühl von Temperatur simuliert. In diesem Fall tragen die Nutzenden einen Handschuh mit Pumpen, die mit heisser oder kalter Flüssigkeit gefüllt sind, und können so Temperaturveränderungen als Reaktion auf den Kontakt mit einem virtuellen Objekt spüren.
Aufgepumpt für die Zukunft
Die Forschenden arbeiten bereits daran, die Leistung ihres Geräts zu verbessern: «Die Pumpen funktionieren bereits gut, und wir sind zuversichtlich, dass wir mit weiteren Arbeiten weitere Verbesserungen in Bereichen wie Effizienz und Lebensdauer erzielen können», sagt Smith. Es wurde bereits damit begonnen, die Produktion der Faserpumpen zu erhöhen, und das LMTS plant auch, sie in komplexere tragbare Geräte einzubauen.
«Wir glauben, dass diese Innovation die Wearable Technology entscheidend verändern wird», sagt Shea.
In einen Handschuh eingebaute Pumpen © LMTS EPFL
Infrarotbild von in ein T-Shirt eingebauten Pumpen © LMTS EPFL
