Die Einlagesohle mit integrierten Drucksensoren kann den Fußsohlendruck direkt im Schuh bei verschiedenen Aktivitäten messen. (Bild: Marco Binelli, ETH Zürich)
Forscher der ETH Zürich, der Empa und der EPFL haben mittels 3D-Druck eine maßgeschneiderte Einlagesohle mit integrierten Drucksensoren realisiert. Damit ist es möglich, den Fußsohlendruck direkt im Schuh bei verschiedenen Aktivitäten zu messen. „Man kann anhand der ermittelten Druckmuster erkennen, ob jemand geht, läuft, eine Treppe hochsteigt oder gar eine schwere Last am Rücken trägt. Dann verlagert sich der Druck nämlich mehr auf die Ferse“, erklärt Co-Projektleiter Gilberto Siqueira, Oberassistent an der Empa und am Labor für komplexe Materialien der ETH Zürich. Mühsame Mattentests sind damit passé. Die Erfindung wurde vor kurzem in der Fachzeitschrift Scientific Reports vorgestellt.
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Silberhaltige Tinte macht den Unterschied
Das Herstellen der Einlagesohlen gestaltet sich dabei recht simpel. Samt den integrierten Sensoren und Leiterbahnen werden sie in nur einem Arbeitsgang auf einem 3D-Drucker respektive Extruder hergestellt. Zum Drucken wurden verschiedene Tinten verwendet, deren Rezepturen eigens für diese Anwendung entwickelt wurden. Die Materialwissenschaftler nutzen als Grundlage der Einlagesohle ein Gemisch aus Silikon und Zellulose-Nanopartikeln. Auf diese erste Schicht drucken sie dann mit einer leitfähigen silberhaltigen Tinte die Leiterbahnen und auf diese an einzelnen Stellen – mit rußhaltiger Tinte – die Sensoren. Die Sensoren werden genau dort platziert, wo der Fußsohlendruck am stärksten ist. Um die Leiterbahnen und die Sensoren zu schützen, werden diese mit einer weiteren Silikonschicht überzogen. Eine anfängliche Schwierigkeit bestand darin, eine gute Haftung der unterschiedlichen Materialschichten zu erzielen. Die Forscher behandelten deshalb die Oberfläche der Silikonschichten mit einem heißen Plasma. Die Sensoren sind sogenannte Piezoelemente, die mechanischen Druck in elektrische Signale umwandeln. Sie messen Normal- und Scherkräfte. Eingebaut in die Schuhsohle wurde auch eine Schnittstelle zum Auslesen der generierten Daten.
„Mit einer Datenanalyse können wir also tatsächlich verschiedene Aktivitäten identifizieren, je nachdem, welche Sensoren wie stark angesprochen haben“, sagt Projektleiter Siqueira. Im Moment brauchen er und sein Team noch eine Kabelverbindung, um die Daten auszulesen. Seitlich der Einlage haben sie einen Kontakt eingebaut. Einer der nächsten Entwicklungsschritte werde sein, eine drahtlose Verbindung zu schaffen. EPFL-Forscher Danick Briand koordinierte das Projekt, seine Gruppe steuerte die Sensoren bei. Die ETH- und Empa-Forscher entwickelten die Tinten und die Druckplattform. Am Projekt beteiligt waren auch das Universitätsspital Lausanne CHUV und die Orthopädiefirma Numo. Gefördert wurde das Projekt im Rahmen der „Strategic Focus Area“ Advanced Manufacturing des ETH-Bereichs.
