IT zum Anziehen: Färbe-Verfahren verleiht Textilien elektronische Eigenschaften

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 13.10.2020

Ob im Fitnessbereich, in der Medizin oder in der Unterhaltungsbranche: Am Körper getragene IT-Geräte wie zum Beispiel Smartwatches werden immer beliebter. Anwendungen dieser Art profitieren davon, wenn sich das Eingabegerät möglichst natürlich an den Körper anpasst – etwa in Form von elektrosensitiven Stoffen, sogenannten E-Textilien. Informatiker der Saar-Universität zeigen, wie man diese Textilien vergleichsweise unkompliziert herstellen kann und eröffnen damit neue Nutzungs-Szenarien.

„Unser Ziel war es, interaktive Funktionen direkt in die Fasern von Textilien zu integrieren, anstatt nur elektronische Komponenten daran zu befestigen“, sagt Jürgen Steimle, Informatik-Professor der Universität des Saarlandes. Mit seiner Forschungsgruppe zu Mensch-Computer-Interaktion am Saarland Informatics Campus erforscht er, wie Computer und deren Bedienung möglichst nahtlos in die physische Welt integriert werden können. Darunter fällt auch der Einsatz elektro-interaktiver Stoffe.

Bisherige Ansätze zur Herstellung dieser Textilien sind aufwändig und beeinflussen das Tragegefühl des Materials. Die Methode der Saarbrücker Informatiker erlaubt, Textilien und Kleidungsstücke auch nachträglich in E-Textilien umzuwandeln, ohne deren ursprüngliche Trage-Eigenschaften zu beeinflussen – sie bleiben dünn, dehnbar und anschmiegsam. Damit schaffen sie die Möglichkeit, schnell und vielseitig mit neuen Formen von E-Textilien zu experimentieren und diese in IT-Geräte zu integrieren.

„Gerade für am Körper getragenen Geräte ist es wichtig, dass sie die Bewegung möglichst wenig einschränken und dennoch hochauflösend Eingabesignale verarbeiten können“, erklärt Paul Strohmeier, einer der Initiatoren des Projektes und Wissenschaftler in Steimles Forschungsgruppe. Um dies zu erreichen, nutzen die Forscher das Verfahren der In-Situ-Polymerisation. Die elektrischen Eigenschaften werden dabei in den Stoff „eingefärbt“: Ein Textil wird in einem Wasserbad einer chemischen Reaktion ausgesetzt, der sogenannten Polymerisation, wodurch es elektrisch leitfähig wird und empfindlich auf Druck und Dehnung reagiert, also sogenannte piezoresistive Eigenschaften erhält. Indem sie nur bestimmte Stellen eines Textils „einfärben“ oder einzelne Fäden polymerisieren, können die Saarbrücker Informatiker maßgeschneiderte E-Textilien produzieren.

In ihren Testläufen haben die Forscher so Handschuhe hergestellt, die Handbewegungen digital erfassen können, einen Reißverschluss, der je nach Öffnungsgrad verschiedene Spannungen überträgt, und Sport-Tapes, die sich zu einem am Körper befestigten Bedienelement verwandeln.

Auch andere Materialien als Textilien können mit dem Verfahren bearbeitet werden. Die Pariser Künstlerin Audrey Briot hat ein Abendkleid aus berührungsempfindlichen Federn hergestellt, die über einen Computer Töne erzeugen, wenn man sie anfasst. Die Federn hat sie nach der Methode der Saarbrücker Informatiker polymerisiert. Das Kleid wurde für den STARTS-Preis der Europäischen Kommission nominiert.

Eine wissenschaftliche Publikation zu dem Verfahren mit dem Titel „PolySense: Augmenting Textiles with Electrical Functionality using In-Situ Polymerization” entstand in der Forschungsgruppe zur Human-Computer-Interaction am Saarland Informatics Campus an der Universität des Saarlandes. Beteiligte Saar-Forscher waren: Prof. Dr. Jürgen Steimle, Dr. Paul Strohmeier, Dr. Marc Teyssier und Dr. Bruno Fruchard. Weiterhin beteiligt waren: Cedric Honnet (MIT Media Lab), Hannah Perner-Wilson (Kobakant) und Dr. Ana C. Baptista (CENIMAT/I3N, Neue Universität Lissabon). Der Fachaufsatz wurde 2020 im Rahmen der weltgrößten Konferenz des Forschungsbereiches, der ‚ACM Conference on Computer Human Interaction (CHI)‘, veröffentlicht.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Mini-Organe geben Einblicke in die Darmregeneration

Medienmitteilung der Universität Basel vom 08.10.2020

Forschende vom Friedrich Miescher Institut for Biomedical Research (FMI) und der Universität Basel haben Mechanismen entschlüsselt, die der Bildung von sogenannten Organoiden und der Regeneration des Darms zugrunde liegen. Dafür verwendeten sie ein einzigartiges bildbasiertes Hochdurchsatzverfahren. Sie haben einen Wirkstoff identifiziert, der die Regeneration des Darms im Tierversuch verbessert, wie sie im Fachblatt «Nature» berichten.

Im letzten Jahrzehnt gab es einen Boom auf dem Gebiet der Organoide – Miniaturorgane, die aus Stammzellen in der Petrischale gezüchtet werden. Diese Systeme rekapitulieren die Zusammensetzung des Zelltyps und zahlreiche Funktionen von Elternorganen wie Gehirn, Niere, Darm oder Lunge. Sie eignen sich perfekt für experimentelle Manipulationen, was sie zu unschätzbaren Werkzeugen für Forschende weltweit macht.

Organoide aus dem Darm – dem sich am schnellsten erneuernden Gewebe bei Säugetieren – rekapitulieren nicht nur die Struktur des Darmepithels, sondern auch seine Fähigkeit, sich nach einer Schädigung zu regenerieren. Darm-Organoide können sich aus einer einzigen Zelle entwickeln, angetrieben von der intrinsischen Fähigkeit der Zelle, einen Regenerationsprozess zu durchlaufen und durch Selbstorganisation eine komplizierte hierarchische Struktur aufzubauen. Die Faktoren, die diesen Prozess antreiben und regulieren, sind jedoch unklar.

Ein Forschungsteam um Prof. Dr. Prisca Liberali vom FMI und der Universität Basel hat sich das Ziel gesetzt, die Darmregeneration zu verstehen, indem sie die funktionellen genetischen Interaktionen entschlüsseln, die diesen Prozess regulieren. Zu diesem Zweck richteten sie eine bildbasierte Plattform für die Hochdurchsatzanalyse ein. Hiermit erstellten sie Profile von über 400’000 Organoiden, die mit einer Bibliothek von Wirkstoffen behandelt wurden. Ziel war, zu beurteilen, welche Wirkstoffe die Organoide beeinflussen. Dann klassifizierten sie jedes Organoid nach seiner Erscheinungsform (Phänotyp) und erstellten für jeden der 3000 untersuchten Wirkstoffe einen einzigartigen „phänotypischen Fingerabdruck“.

Wirkstoff fördert Darmregeneration

Dieser Datensatz ermöglichte es den Forschenden, 230 Gene zu identifizieren, die an der Entwicklung von Organoiden beteiligt sind, sowie ihre funktionellen genetischen Interaktionen. Zu den Treffern des Screens gehörte ein Hemmstoff des sogenannten Retinsäure-Signalwegs, der die regenerativen Eigenschaften der Organoide förderte. Bestätigen konnten die Forschenden diesen Effekt durch Analyse der Genexpression und Zelltyp-Zusammensetzung.

Auch im Tierversuch mit Mäusen mit strahleninduzierten Darmschäden stellten die Wissenschaftler eine bessere Erholung der Tiere fest, wenn sie mit dem Wirkstoff behandelt wurden: Sie zeigten eine verbesserte Geweberegeneration und verringerten Gewichtsverlust.

«Diese Studie stellt eine unglaubliche technische Meisterleistung dar, und die von uns entwickelte Screening-Plattform lässt sich auf viele Systeme anwenden», sagt Prisca Liberali. «Wir haben die erste Karte der genetischen Interaktionen bei der Entwicklung von Darm-Organoiden erstellt.»

Der identifizierte Wirkstoff wirke selektiv auf regenerative Zellen, indem er die Zellen länger in einem regenerativen Zustand halte, ohne eine unkontrollierte Zellteilung zu verursachen, erklärt die Forscherin. «Wir glauben, dass unsere Erkenntnisse den Weg für neuartige Therapien ebnen, die die Regeneration und Erholung des Darmepithels nach einer akuten Schädigung fördern, zum Beispiel bei Krebspatienten, die eine Chemo- oder Strahlentherapie erhalten.»

Originalpublikation:
Ilya Lukonin, Denise Serra, Ludivine Challet Meylan, Katrin Volkmann, Janine Baaten, Rui Zhao, Shelly Meeusen, Karyn Colman, Francisca Maurer, Michael B. Stadler, Jeremy Jenkins, Prisca Liberali.
Phenotypic landscape of intestinal organoid regeneration.
Nature (2020)

Externer Link: www.unibas.ch

Schnelle Hilfe für Verschüttete

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.10.2020

Sei es bei Lawinen, sei es bei Erdbeben – Verschüttete müssen schnellstmöglich geborgen werden. Mit einem neuartigen mobilen Radargerät des Fraunhofer-Instituts für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR lassen sich künftig hektargroße Bereiche rasch und gründlich durchsuchen. Der Clou: Die Technologie kombiniert Bewegung und präzise Lebenszeichendetektion.

In manchen Regionen bebt die Erde täglich mehrere hundert Mal. Die meisten dieser Beben sind nicht allzu stark, andere jedoch entwickeln eine enorme Zerstörungskraft, bringen Gebäude zum Einsturz und lassen Tsunamis entstehen, die ganze Landstriche verwüsten. Rettungskräfte stehen bei einer solchen Katastrophe vor einer schwierigen Aufgabe: Wo in all den Trümmern befinden sich Verletzte, die dringend Hilfe benötigen? Anhaltspunkte können Radargeräte liefern. Jedoch lassen sich diese bislang nur stationär betreiben. Das System wird an einer Stelle aufgestellt und kann von dort aus – je nach Radar – etwa zwanzig bis dreißig Meter weit schauen. Diese Distanz ist zu gering, wenn es um großflächige Zerstörungen geht.

Eine Technologie des Fraunhofer FHR in Wachtberg kann den Suchradius deutlich vergrößern. »Wir haben ein mobiles Radargerät entwickelt, das Puls und Atmung verschütteter Personen bestimmen und sie auf diese Weise orten kann«, erläutert Dr. Reinhold Herschel, Teamleiter am Fraunhofer FHR. »Langfristig könnte eine Drohne, ausgerüstet mit dem Radargerät, die Unglücksstelle abfliegen. So lassen sich selbst hektargroße Bereiche effektiv und schnell durchsuchen.«

Mehrere Sender und Empfänger ermöglichen verschiedene Blickwinkel

Das dahinterliegende Prinzip: Das Radargerät sendet eine Welle aus, die an den Trümmerteilen zum Teil reflektiert wird, zum Teil durch sie hindurchgeht – und dann beispielsweise vom Verschütteten zurückgestrahlt wird. Über die Zeiten, die das Signal braucht, um wieder am Detektor des Radargeräts anzukommen, lassen sich die Entfernungen berechnen. Bewegt sich ein Objekt – hebt und senkt sich etwa die Haut des Verschütteten bei jedem Pulsschlag um einige hundert Mikrometer –, so ändert sich die Phase des Signals. Ebenso bei den Atembewegungen. Da man nur zehn- bis zwölfmal pro Minute Luft holt, das Herz aber durchschnittlich 60 Mal pro Minute schlägt, lassen sich diese Signaländerungen über Algorithmen gut voneinander trennen. Auch den Ort, an dem sich ein Verschütteter befindet, können die Forscher genau bestimmen. Möglich machen es MIMO-Radare, kurz für Multiple Input Multiple Output, die über mehrere Sender und Empfänger verfügen – es lassen sich also verschiedene »Blickwinkel« realisieren, über die dann die genaue Position bestimmt werden kann, an der die Rettungssanitäter nach dem Überlebenden graben müssen.

Algorithmus erkennt Herzflimmern

Das Besondere an der Technologie: Die Kombination von Bewegung und präziser Lebenszeichendetektion. Die Bewegung kann sich dabei zum einen auf eine Drohne beziehen, die das Unglücksgebiet überfliegt. Das Prinzip lässt sich aber auch umkehren: Stellt man das Gerät an eine feste Stelle, lassen sich die Lebenszeichen von Menschen detektieren, die sich im Umkreis des Geräts bewegen. Sinnvoll kann das etwa bei zahlreichen Verletzten sein, die beispielsweise nach einem Erdbeben in einer Turnhalle erstversorgt werden. Über das Radargerät lassen sich die Lebenszeichen aufzeichnen und den jeweiligen Verletzten zuordnen. Wer braucht die Hilfe am dringendsten? Der Algorithmus schaut dabei vor allem nach Veränderungen: Flimmert das Herz? Atmet der Patient sehr schnell? Die verschiedenen Signale können auseinander gerechnet und getrennt dargestellt werden. Und das mit hoher Genauigkeit: Die Pulsfrequenz beispielsweise misst das Radargerät auf ein Prozent genau, wie der Vergleich mit tragbaren Pulsgeräten ergab. Während bei der Suche nach Verschütteten per Radar noch Forschungsbedarf besteht, hat das Forscherteam bei der Lebenszeichendetektion von sich bewegenden Personen bereits erfolgreich Testläufe mit einem Abstand von bis zu 15 Metern durchgeführt. Der nächste Schritt zum Produkt wäre jetzt eine Verifikations-studie mit einem Partner im medizinischen Bereich. Nach positiver Evaluierung mit ausreichender Datenbasis kann dann zusammen mit interessierten Industriepartnern der Zertifizierungprozess gestartet werden. Die zuverlässige Detektion Verschütteter in schwierigen Fällen wie Erdreich oder Beton sowie die UAV-basierte Messung werden noch etwa zwei Jahre in Anspruch nehmen, bis eine ausreichend hohe Zuverlässigkeit für die Produktentwicklung erreicht ist. Hier ist das Fraunhofer FHR weiterhin forschend engagiert, um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen.

Externer Link: www.fraunhofer.de

technologiewerte.de – MOOCblick Oktober 2020

Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Railway Engineering: An Integral Approach
Rolf Dollevoet (TU Delft)
Start: 21.10.2020 / Arbeitsaufwand: 24-36 Stunden

Externer Link: www.edx.org