Technische Universität Berlin

Medieninformation | 22. März 2021 | sn

Fahrradsattel aus der Maßschneiderei

Sigrid Rotzler forscht an textiler Drucksensorik für den perfekten Sitzkomfort auf dem Rad, weiche Robotik und ergonomisch bessere Arbeitsabläufe. Gestickte Elektronik kommt zum Einsatz

Wenn der Fahrradsattel nicht der passende ist, kann es unschön werden: Taubheitsgefühle im Dammbereich und brennender Schmerz in den Sitzknochen. Nur die Hartgesottenen lassen sich davon nicht beeindrucken. Für alle anderen wird die als entspannt geplante Fahrradtour auf dem Oder-Deich spätestens nach einer Stunde zur Schinderei.

Hochtechnologie trifft auf alte Kulturtechnik

Den für sich passenden Fahrradsattel zu finden ist – wie jede Radfahrerin, jeder Radfahrer weiß – ein schwieriges Unterfangen. Sigrid Rotzler forscht an einem Weg, wie die Geometrie des Gesäßes exakt ausgemessen werden kann, um mit diesen Daten den individuell perfekt geformten Fahrradsattel zu designen. Sie kombiniert dafür die Hochtechnologie der Mikroelektronik mit einer alten Kulturtechnik – der Stickerei. Feinste, nur 0,2 Millimeter dünne Edelstahlleiter werden in einem Abstand von 2,5 Millimetern auf einen Stoff aufgestickt. Ihr Ziel ist es, als Demonstrator eine textilbasierte Messmatte als Grundlage für maßgeschneiderte Fahrradsättel zu entwickeln. Andere Anwendungen für textile Drucksensoren liegen in der weichen Robotik (Softrobotik) oder im Bereich der Verbesserung von Arbeitsabläufen. So könnten sogenannte Funktionshandschuhe mit textilen Drucksensoren ausgestattet werden, die zum Beispiel messen, mit welcher Kraft bestimmte Arbeitsschritte ausgeführt werden. Die so erhobenen Daten gäben Auskunft, ob der Krafteinsatz zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen führt und wie ergonomisch gegengesteuert werden könnte.

Die Vermessung des Gesäßes

Die textilen Drucksensoren, ob für Funktionshandschuhe oder Messmatte, sind in drei Lagen aufgebaut. Zwischen zwei mit Edelstahlleitern bestickten Textillagen befindet sich eine schwachleitende dritte Schicht, deren Widerstand sich druckabhängig ändert. Die Leiter sind dabei auf der oberen und unteren Lage jeweils um 90 Grad gedreht platziert, sodass die Edelstahlleiter ein Gitter bilden mit – je nach Gesamtgröße des Sensors – bis zu 1024 Kreuzungspunkten. Der an den Kreuzungspunkten jeweils gemessene Widerstand gibt Auskunft über die Druckbelastung und ermöglicht so zum Beispiel die Geometrie des Gesäßes beim Sitzen auf der Matte exakt zu erfassen. Was Sigrid Rotzler herausfinden und in einem Portfolio zusammentragen möchte, ist, welche Materialien in welcher Kombination für welche Anwendungen die zuverlässigsten Werte liefern. Diese Werte generiert sie, indem sie die Sensoraufbauten in den verschiedenen Materialkombinationen unterschiedlichen Belastungsszenarien aussetzt, zum Beispiel einer Dauerbelastung, unterschiedlich großen Kräften oder einer gleichbleibenden Kraft mit unterschiedlichen Belastungsgeschwindigkeiten. Der parallel zu Belastung gemessene Widerstand gibt Aufschluss über die Eignung der Materialkombinationen. „Bei der Anwendung der textilen Drucksensoren im Funktionshandschuh müssen eher sich schnell verändernde, kleine Kräfte, die zum Teil nur sehr kurz einwirken, zuverlässig gemessen werden. Als Messmatte für den Fahrradsattel wiederum wirken auf den Sensor größere Kräfte für einen längeren Zeitraum ein. Deshalb ist es hier wichtig, dass sich der Widerstand bei gleichbleibender Dauerbelastung nicht über die Zeit ändert.“, erklärt Sigrid Rotzler.

Edelstahlleiter als Sieger

Für drei Komponenten muss sie die geeignetsten Materialien finden: für die beiden textilen Lagen, auf die die Leiter aufgestickt werden, für die Leiter selbst und die Zwischenlage. Für die obere und untere, textile Lage der Messmatte hat sich ein kalanderter, das heißt durch Walzen geglätteter Fließstoff, am besten bewährt – für den Funktionshandschuh ist ein dünneres, leicht elastisches Material geeigneter. Für die Zwischenlage evaluierte Sigrid Rotzler insgesamt 14 Materialien. Bei den Experimenten mit Leitern aus Edelstahl, Kupfer und Silber ging Edelstahl als „Sieger“ hervor. Auch testete die Wissenschaftlerin zwei verschiedene Methoden des Stickens: das sogenannte „Tailored Fibre Placement“, bei dem der Leiter mittels eines weiteren Fadens auf dem Textil fixiert wird, sowie das direktes Sticken der Leiterbahnen mit leitendem Stickgarn. Bei beiden Methoden überzeugten Edelstahlleiter.

Allein der Allgemeine Deutsche Fahrradclub hat mehr als 200 000 Mitglieder. Das Interesse am maßgeschneiderten Fahrradsattel mit perfektem Sitzkomfort dürfte hoch sein.

Das Projekt „EmbrASe – Entwicklung von textilbasierter, gestickter Flächensensorik und eines Technologieportfolios als Lösungsplattform für weitergehende Sensorik-Entwicklungen“ wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert. EmbrASe wird innerhalb des Forschungsschwerpunktes (FSP) „Technologien der Mikroperipherik“ bearbeitet und von TU-Professor Dr.-Ing. Martin Schneider-Ramelow geleitet. Der FSP forscht auf dem Gebiet des Electronic Packaging. Neben Prof. Dr.-Ing. Schneider-Ramelow, der an der TU Berlin das Fachgebiet Werkstoffe der Hetero-Systemintegration lehrt, forscht auch die TU-Professorin Dr. Melanie Jaeger-Erben in dem FSP. An der TU Berlin leitet sie das Fachgebiet Transdisziplinäre Nachhaltigkeitsforschung in der Elektronik.

Kontakt

Sigrid Rotzler

Forschungsschwerpunkt „Technologien der Mikroperipherik“

rotzler@tu-berlin.de

Aktualisiert am 01.04.2021