Die Forscher „integrierten es in eine sportliche Leggings“, so die Universität. „Die Tester sahen mit einem Blick auf ihr Smartphone, wann sie an ihre Grenzen kamen und ob sie eine Pause einlegen sollten.“
Dies ist nicht das erste Mal, dass ein kapazitives Sensorgarn konstruiert wurde, aber dieses „Garn ist wesentlich empfindlicher gegenüber minimalen Bewegungen. Schon eine geringfügige Dehnung erzeugt deutlich messbare Schwankungen in der Sensor's Charge“, sagte der Forscher Tyler Cuthbert.
Viel experimentelle und theoretische Arbeit wurde in die Suche nach einer Struktur investiert, die diese Eigenschaft erreicht, was ein Garn hervorbrachte, bei dem eine Elektrode ein relativ dickes leitfähiges Elastomer ist (links-est), um die ein dünner isolierter Kupferdraht – die andere Elektrode – spiralförmig gewickelt ist. Beim Ziehen richtet sich der Kupferdraht auf, beißt in das Elastomer und wölbt es zu einer dickeren Spirale (links schließen).
Das Mastwerden bei Dehnung ist so ungewöhnlich, dass der Effekt einen eigenen Namen hat: „auxetisches“ Verhalten.
„Die Kapazitätsänderung ergibt sich aus einer Kombination des Abstands zwischen den Elektroden und dann der Änderung der Fläche zwischen den Elektroden“, sagte Cuthbert gegenüber Electronics Weekly. „Der auxetische Charakter führt zu einer Wechselwirkung zwischen den beiden Elektroden in Form einer Umhüllung, was wiederum zu einer größeren Fläche zwischen den Elektroden führt. Die richtige Kombination von Parametern – Durchmesser, Wendelsteigung und Verhältnisse – ergibt den auxetischen Charakter. Dies wiederum ermöglicht es ihm, eine überlegene Empfindlichkeit zu erreichen.“
Das theoretische Verständnis war so groß, dass das Team auch spiralförmige Kombinationen mit nahezu keiner Kapazitätsänderung entwarf, wenn das Doppelhelixgarn gedehnt wurde.
Die endgültige Sensorbaugruppe war passiv, mit den Anschlüssen des Sensors Kondensator direkt an die Enden einer Rahmenantenne angeschlossen (Recht), die schließlich mit einem Telefon gekoppelt werden würde.
Für realitätsnahe Tests wurde der Sensor auf eine eng anliegende Sportleggings aufgenäht (links), wobei die Antenne mit leitfähigem Faden direkt in das Abfallband eingenäht ist.
„Da der Sensor so nah am Körper sitzt, können wir Körperbewegungen sehr genau erfassen, ohne dass der Träger es überhaupt merkt“, sagt Forscher Professor Carlo Menon.
Weniger regelmäßige Schritte und verkürzter Gang sind Indikatoren für beginnende Müdigkeit bei Läufern, sagte die ETH, und die Sensor-Shorts konnten diese Situation erkennen.
Die Arbeit wird in dem ausführlichen und klar präsentierten Artikel „HACS: Helical auxetic Garn Capacitive Strain Sensors with Sensitivity Beyond the Theory Limit“ behandelt, der in Advanced Materials veröffentlicht wurde und vollständig und ohne Bezahlung erhältlich ist.