Smart Textile Academy

Ich schaue mit den Augen des Mikrosystemtechnikers auf diese Thematik, der schon mal durch die Höhen und Tiefen von der Idee bis zum Konsumprodukt gegangen ist. Dabei erscheint mir am Ende des Tages die Umwelt bzw. Medienverträglichkeit die größte Herausforderung zu sein. Wenn eine smarte Textilie sich im Massenmarkt behaupten kann, dann ist sie robuster als jedes heutige Smartphone. Nicht nur Temperaturschwankungen, Stöße und Vibrationen sowie Spritzwasser muss dieses Super-Material aushalten, nein hinzu kommen starke Laugen, Tenside unter hoher Temperatur, Schweiß, Imprägnierung, Salz, Abrieb und extreme Biegungen. Gerade für Sensoren, die mit der Umwelt in Kontakt stehen müssen, um z. B. Gaszusammensetzung, Feuchte, Schall oder Partikel zu messen, wird dies zu enormem Entwicklungsaufwand führen, da der Nutzer keine Einbußen in der Qualität der Messdaten akzeptieren würde, die er sonst von seinem Smartphone oder ähnlichem diskreten Gadget kennt. Dabei sind allein aus der Welt der verwendeten Materialien große Täler zu überspannen: klassische Elektronik und Sensorik fußt auf starrem kristallinem Material und schon in der Elektronik ist die Verpackung der Funktion eine Herausforderung. Intelligente Verbindungstechnologien sind gefragt und letztendlich steht auch von Anfang an die Recyclingfähigkeit der Lösung im Raum.

Ob diskrete, hybride oder smarte Integration von elektronischen Funktionen – das hängt sicherlich von der Kundenakzeptanz und dem Nutzenversprechen ab. Während im industriellen Umfeld Arbeitserleichterung und Sicherheit im Vordergrund stehen und daher schon kleine Schritte diskreter Integration akzeptiert wer-den, kann ich mir das von Konsumanwendungen nicht vorstellen. Trotzdem glaube ich, dass der Weg über Profianwendungen die Integrationstiefe vorantreibt, weil er erlaubt, die technologischen Herausforderungen sukzessive zu lösen. Viele am Körper getragene Unterstützungen sind heute noch hybrid so wie Fitness-Tracker, Blutdruck und EKG Messung. Sie könnten eigentlich textiler Art sein und der Konsument stellt sie sich gerne autark vor aber natürlich als IoT mit einer zentralen Kommunikationseinheit verbunden. Die Energieversorgung wird wohl als letztes integrier-bar sein und es wäre lohnend ein textiles Energyharvesting zu entwickeln. Heute ist Kleidung für Jedermann zu billig und daher echte Smarte Lösungen einem Hochpreissegment (z. B. Skijacke) vorbehalten, sofern nicht ein disruptiver Ansatz die Kostenfrage löst. Ein Umdenken des Konsumenten in Richtung Nachhaltigkeit ist eher nicht zu erwarten.

Forschung muss sich darauf konzentrieren, die bestehenden mikroelektronischen Lösungen an die harten Anforderungen anzupassen. Klassisch bedeutet das die Aufbau- und Verbindungstechnik auf die Faserbasierten Werkstoffe hin zu adaptieren. Heute werden bestenfalls starre 3D Körper oder flexible Folien bestenfalls in verketteten Linien aufgebaut. Den Fertigungsmaschinen der Spinnereien und Webereien den Umgang mit Chips und elektrischen Verbindungen beizubringen, ist eine faszinierende Herausforderung.

Einen Marktdurchbruch für smarte Textilien erreicht man am ehesten mit einer „Killerapplikation“, die das Bedürfnis weckt, sie unbedingt besitzen zu wollen. Da dies häufig emotional und nicht rational gesteuert ist, lässt sich diese nicht leicht identifizieren.

Ein Industriedesigner beschäftigt sich mit dem psychologischen Aspekt eines Produktes, während Ingenieure und Verfahrenstechniker im Bereich Textil die physiologische Seite betrachten. Er stellt nicht nur den wichtigen Aspekt der Kommunikation zwischen Nutzer und Material sicher, sondern definiert auch Designmerkmale in einer bestimmten ästhetischen Sprache, die den Kunden anspricht.

Im Bereich der Smart Textiles umfasst die Definition von Designmerkmalen üblicherweise die ausgewählten Farben, Muster und Texturen. Die definierte Ästhetik ruft beim Betrachter bestimmte Assoziationen bzw. Erinnerungen an das Produkt hervor. Zusätzlich stellen Wahrnehmungen Reaktionen dar, die das Produkt beim Verbraucher auslöst und sie beschreiben, wie sich das Produkt für den Benutzer anfühlt. Das Ensemble aus Produktästhetik, produktgetriebenen Assoziationen und Benutzerwahrnehmungen bezeichnet man als Produktcharakter oder Produktpersönlichkeit.

Durch die gezielte Steuerung dieser Parameter, liefert der Industriedesigner ein überzeugendes Produkt für den Kunden.

Smart Textiles sind intelligente Textilstrukturen oder -stoffe, die mechanische, thermische, chemische, biologische oder magnetische Umweltreize erfassen und darauf reagieren können.

Damit diese Technologie einen Nutzen für den Endverbraucher ergibt, muss man als Produktentwickler auf die Benutzerfreundlichkeit der Lösung achten. Hier spielt insbesondere der Informationsaustausch eine wichtige Rolle. Die Maschine, in diesem Fall das Material selbst, muss im ständigen Dialog mit dem Nutzer stehen. Die Bedienung, d.h. die Nutzer-Maschine-Kommunikation, und das Feedback, d.h. die Maschine-Nutzer-Kommunikation, stellen den erfolgreichen Dialog sicher.

Einen Durchbruch auf dem Markt für neuartige Textilien mit intelligenten Funktionen wird es dann geben, wenn diese verständlich und intuitiv bedienbar sind.

Damit nicht nur die Funktion sondern auch die Kommunikation zwischen Nutzer und Material sichergestellt wird, reichen die bekannten Expertisen aus der Textilbranche nicht mehr aus. Die hohe Vielfalt an notwendigen Disziplinen stellt gleichzeitig eine höhere Komplexität an den Lösungsweg dar.

Genau hier ergibt sich für die Textilbranche die Chance, neuartige Wege der Zusammenarbeit in der Forschung und Entwicklung zu testen und umzusetzen. Am Lehr- und Forschungszentrum für Interaktive Materialien der Hochschule Reutlingen arbeiten schon jetzt Chemiker, Designer, Ingenieure und Informatiker interdisziplinär an neuen Lösungsansätzen.

Beim üblichen, multidisziplinären Ansatz beteiligen sich unter-schiedliche Disziplinen sequenziell in verschiedenen Phasen an der Produktentwicklung. So wird jede Disziplin darin gefördert, ihre individuelle Sprache, ihre Konzepte und Paradigmen zu pflegen.

Im Gegensatz dazu bietet Interdisziplinarität die Möglichkeit, die Interaktion zwischen unterschiedlichen Disziplinen zu verbessern. Sie fördert eine Kultur des gemeinsamen Nachdenkens, Austausches, Lernens und Verstehens. Ideen und Lösungsansätze aus unterschiedlichen Perspektiven werden von Anfang an während des gesamten Entwicklungsprozesses gemeinsam hinterfragt, um daraus die Verbindungen zwischen den Disziplinen zu einem koordinierten und kohärenten Ganzen zusammen-zufassen und zu harmonisieren.

Textilunternehmen können sich für diese neue Art der Zusammenarbeit öffnen. Sie bietet die Chance einer besseren Nutzung der bereits vorhandenen und zukünftig notwendigen Ressourcen und führt somit zu einer Erhöhung des eigenen Entwicklungspotenzials.

Normen und Standards machen Produkte vergleichbar. Sie definieren Qualitätsmaßstäbe und schaffen damit gleiche Voraussetzungen für alle. In einem so dynamischen, innovativen Markt wie Smart Textiles sind diese gemeinsamen Rahmenbedingungen und ein kohärentes Normen- und Regelwerk besonders wichtig.

Dabei profitieren Verbraucher, Unternehmen und öffentliche Hand gleichermaßen von der Normung. Im Sinne des Verbraucherschutzes klärt sie wesentliche Fragen der Sicherheit von Produkten, der Verträglichkeit mit Gesundheit und Umwelt sowie der Gebrauchstauglichkeit. Für die Wirtschaft bedeutet die Normung Vereinfachung in vielen Prozessen – von der Ausschreibung bis zum Einkauf. Gleichzeitig fördert Normung das Wirtschaftswachstum und unterstützt die Marktdurchdringung aufgrund höherer Kundenakzeptanz – Innovationen, die durch Normungsprozesse begleitet werden, haben höhere Chancen, sich am Markt durchzusetzen.

Endlich passiert, was schon lange überfällig ist: Die Normungsgremien von Textil und Elektronik werden zusammengeführt. Hier hat die DIN weltweit den ersten Schritt gemacht und ist da-mit bislang einzigartig in der Normungswelt. Bisher haben Textil- und Elektronik-Normungsgruppen separat und parallel gearbeitet, ohne Wissen und Kompetenzen des jeweiligen anderen.

In der neuen Zusammenarbeit im Rahmen von DIN wurden nun bereits Normen für Leitfähigkeitsmessungen und phase change materials erstellt, die bereits in der Anwendung sind. Aktuell sind Normen zur Gebrauchsbeanspruchung und Beständigkeit von Textilien mit elektronischen Komponenten in der Bearbeitung. Man spürt, es geht voran. Das ist gut so, bedenkt man die vielen Themen, die im Bereich Smart Textiles einer Normierung bedürfen.

Aktuelles – insbesondere für die PSA-Branche – wichtiges Projekt ist die Erarbeitung der Norm „Aktiv leuchtende Warnkleidung in Ergänzung zu DIN EN ISO 20471 und DIN EN 1150 bzw. DIN EN 17353 – Anforderungen und Prüfverfahren“. Bislang gab es hierzu keine definierten Anforderungen und Prüfverfahren für Hersteller, Prüf- und Zertifizierungsstellen (notified bodies, CE Kennzeichnung) und Anwender. Die Folge war „Wildwuchs“ auf dem Markt mit vielen unsicheren, qualitativ minderwertigen Produkten. Die Einführung der Norm wird dies beheben.

Im dazugehörigen Normungsgremium sind alle wichtigen Parteien repräsentiert (Hersteller Textil und Elektronik, Textile Dienstleister, Prüf- und Zertifizierungshäuser, Arbeitsschutz) und alle ziehen an einem Strang, was mir persönlich als Leiter dieses Gremiums sehr viel Spaß gemacht hat. Unsere erarbeitete Norm ist aktuell in der Kommentierungsphase und wird, wenn alles weiterhin so glatt läuft wie bisher, Anfang 2021 erscheinen und offiziell verfügbar sein.

SEKT steht als Projektakronym für die IT-Sicherheit von elektronischen Kommunikationssystemen in smarten textilen Produkten (Smart Textiles). Das Projekt untersucht hierzu systematisch die Integration und IT-Sicherheit von elektronischen Kommunikationssystemen in smarten textilen Produkten und entwickelt praxisrelevante Sicherheitskonzepte und smarte Demonstratoren. Für die Projektbearbeitung haben wir ein interdisziplinäres Team aus Wissenschaftlern und Unternehmen aus der Textil- und Bekleidungsbranche sowie der Informatik zusammengestellt.

Ziel des Projekts ist die wissenschaftliche Auseinandersetzung mit smarten textilen Produkten und deren IT-Sicherheit. Außer-dem beschäftigen wir uns mit der Übertragung vorhandener Sicherheitskonzepte sowie die Entwicklung sicherer, innovativer Smart Textiles Prototypen. Aus dem gewonnenen Wissen werden Handlungsempfehlungen abgeleitet und Lehrangebote für die Textil- und Bekleidungsbranche geschaffen.

In der ersten von insgesamt fünf Projektphasen wurde eine breitangelegte Online-Umfrage bei Endkunden, Händlern und Produzenten der Textil- und Bekleidungsindustrie durchgeführt. Fragestellung war dabei: Wie verbreitet sind Smart Textiles bereits, welche Kommunikationssysteme sind heute schon integriert und welche folgen in Kürze?

Grundsätzlich zeigten die Ergebnisse, dass sich der Smart Textiles Markt noch am Anfang befindet, aber dem Themengebiet von allen Seiten großes Interesse entgegengebracht wird. Mit Blick auf die Kommunikationstechniken ist über alle Ziel- und Produktgruppen hinweg zu beobachten, dass Bluetooth und WLAN die am häufigsten eingesetzten Technologien bei den Kommunikationssystemen sind. Zusätzlich werden noch RFID-Systeme verwendet, allerdings finden diese bisher primär auf Seiten der Produzenten und Händler für Logistik- und Anti-Diebstahlsysteme ihre Einsatzgebiete und es gibt für die Umsetzung von IT-Sicherheit noch enormes Potenzial.

In immer mehr Bekleidungsstücken und anderen textilen Produkten sind smarte Komponenten wie Sensoren und Chips eingebaut, die mit ihrer Umwelt kommunizieren. Die Einsatzmöglichkeiten sind fast unbegrenzt. Die smarten Textilien erfassen, verarbeiten und übertragen u.a. persönliche Daten. Sie können Standort, Aktivität, Bewegung, Vitalparameter und vieles mehr ermitteln. Es ist daher für die Akzeptanz dieser Produkte wichtig, dass auch das Thema IT-Sicherheit umfassend behandelt und transparent kommuniziert wird.

Bisher wird das Thema bei der Entwicklung von Smart Textiles noch wenig berücksichtigt. Aktuell liegt der Fokus oft auf den rein technologischen Aufgaben bei der Verbindung von Textil und Elektronik. Die IT-Sicherheit belegt somit bisher eine untergeordnete Rolle. Um die Herausforderungen zwischen Transparenz, Post- Privacy und dem Schutz der Privatsphäre der Nutzer zu meistern, sollte sich dies ändern und die IT-Sicherheit bereits bei der Entwicklung der Produkte berücksichtigt werden.