Elektronische Textilien als Material und Werkzeug

Hannah Perner-Wilson, Irene Posch

Erschienen in: BÖKWE – Fachblatt des Bundesverbandes Österreichischer Kunst- und WerkerzieherInnen, März 2020

Welche Fasern leiten Strom? Wie schauen Fäden aus Metall aus? Welche Flächen können als Sensoren ver- wendet werden? Elektronische Textilien, manchmal auch Smart Textiles genannt, beschreiben die Integration von elektronischen Funktionalitäten in textiles Material. Dadu- rch lassen sich Sensoren und Schaltkreise aus Textil um- setzen. Diese können weich und kleidsam sein; sie können in Alltagsgegenstände verwebt werden und dadurch neue Funktionen ausführen; und sie bieten durch die neuar- tige Verbindung von Elektronik und Textil die Möglichkeit, die Qualitäten dieser Disziplinen neu zu denken – sowohl historische als auch gegenwärtige Assoziationen, Konven- tionen, Einsatzgebiete und Produktion(-sbedingungen) zu diskutieren, sowie auch zu hinterfragen.

Der folgende Artikel geht von der Umsetzung eines elektronisch-textilen Artefakts aus, ein eTextile Texter. Ein Handout beschreibt die einzelnen Schritte zur Um- setzung des eTextile Tester Tools. Es kann doppelseitig kopiert werden und entlang der Strich-Linien zu einem praktischen Handout gefaltet werden. Es ergibt so einen Folder, der die Gestaltung des Armbands begleitet und die wichtigsten Einzelschritte visualisiert, sowie einen Überblick über leitende textile Materialien beinhaltet.
Der Artikel gibt kontextuelle Informationen zur Thematik elektronischer Textilien, deren Geschichte, deren Einsatz in Forschung, Entwicklung und künstlerischer Produktion, verwendeten Materialien und weitere Informationen für vertiefende Tätigkeiten.

Textile Materialien, elektronische Funktionen

Elektronische Textilien (eTextiles) basieren auf elektrisch leitfähigen Fasern, Fäden und Geweben, die in Kombi- nation mit textilen Techniken wie Nähen, Weben und Stricken eingesetzt werden können. Die meisten leit- fähigen Textilmaterialien basieren auf der Mischung von Metallen für ihre leitenden Eigenschaften und anderen Fasern (natürlich oder synthetisch) um ihre mecha- nischen Eigenschaften wie Flexibilität und Zugfestigkeit im Kontext textiler Anwendungen zu erhöhen. Fäden mit einer hohen Leitfähigkeit, zum Beispiel durch einen hohen Metallanteil, können als Strom- oder Datenleit- er eingesetzt werden. Fasern, Fäden oder Gewebe mit geringerer oder variabler Leitfähigkeit können so verar- beitet werden, dass sich ihre Leitfähigkeit durch Außene-inwirkungen, zum Beispiel durch Druck, verändert und sie so als Sensoren eingesetzt werden können.

Die Herstellung von Metallfäden an sich ist sehr alt. Bereits im Alten Testament wird der Einsatz von dünnen Metallbändern beschrieben, die in besonders wertvolles Priestergewand eingewebt wurden[1]. Der Einsatz von Metallfäden aus Gold und Silber, später auch vergoldetes oder versilbertes Kupfer, hat sich in den darauffolgenden Jahrhunderten weiterentwickelt. Edle (oder veredelte) Metallfäden wurden dekorativ eingesetzt, um besonders prunkvolle Stücke herzustellen. Weltweit haben sich in unterschiedlichen Kulturen verschiedenste Techniken herausgebildet, im europäischen Kulturkreis hat sich das textile Arbeiten mit Metallfäden zu ornamentalen Zweck- en vor allem in Klöstern und an Höfen entwickelt, später auch als exquisites Handwerk im Bürgertum[2].

Neben Metallfäden, die auch heute noch zu dekorativen, sowie zunehmend auch für technische Zwecke herg- estellt werden, hat sich in den letzten Jahrzehnten auch ein Industriezweig entwickelt, der leitfähige Materialien für antistatische Zwecke bzw. für die Anwendung zum Schutz vor elektromagnetischer Strahlung herstellt. Die spezifische Forschung und Entwicklung von Materialien und Produktion zur Herstellung weicher, bwz. flexibler Schaltungen und Sensoren ist hingegen relativ neu[3]. Im Handout (Abb. 1) sind spezifische Eigenschaften von Matallfasern, -fäden und -geweben schematisch dargestellt und deren spezifischen Eigenschaften beschrieben.

Abb 1: Handout als Download. Für doppelseiteigen Druck, gefaltet entlang der vertikalen Linien.

Eine kurze Geschichte elektronischer Textilien

Historisch gab es immer wieder bedeutende Kreuzungs- punkte zwischen textilen und elektronischen bzw. digitalen Technologien. Der heutige Computer basiert auf den Weiterentwicklungen der Lochkarten, die erstmals für den Jacquardwebstuhl zu Beginn des 19. Jahrhunderts entwickelt wurden (Abb. 2); Magnetkernspeicher, die Speicherelemente früher Computer in der Mitte des 20. Jahrhunderts, wurden von Hand gefertigt und erinnern an Perlenweberei (Abb. 3).

Carpet loom with Jacquard apparatus by Carl Engel, around 1860.

Abb. 2: Jaquardwebstuhl mit Lochkarten. Foto: Dmm2va7, CC-BY-SA-3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/Jacquard_machine#/media/File:DMM_29263ab_Jacquardwebstuhl.jpg)

Abb. 3: Magnetkernspeicher. Foto: Konstantin Lanzet, CC BY-SA 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/ Magnetic-core_memory#/media/ File:KL_CoreMemory.jpg)

Während textiles Handwerk zu den ältesten Kultur- techniken der Menschheit zählt, basiert das Verständnis von Elektrizität vor allem aus Experimenten aus dem 18. Jahrhundert, digitale Technologien, die erst Mitte des 20. Jahrhundert massentauglich wurden, sind noch jünger. Be- reits in den frühen Jahren der Elektrifizierung gegen Ende des 19. Jahrhunderts kann man einzelne Beispiele für die Integration elektronischer Schaltungen in Stoffe[4] finden. Erst 100 Jahre später aber haben Mitte der 1990er Jahre Forscher*innen in den USA begonnen die Integration von elektronischen Eigenschaften ins Textile strukturiert zu erforschen. Besonders bekannt ist das Projekt “Wearable Motherboard” der Georgia University of Technology, ein Hemd mit eingewebter Sensorik[5], sowie Maggie
Orth und Rehmi Post am MIT, Massachusetts Institute of Technology, die mit der Integration von Schaltkreisen ins Textil und textiler Sensorik experimentiert haben[6]. Seit dem haben sich zahlreiche Forschungs-, Entwicklungs- und Kunstprojekte dem Experiment im Bereich elektronischer Textilien – oft auch Smart Textiles genannt – gewidmet. 2007 hat Leah Buechley mit dem Arduino Lilypad als Erste eine Platine und elektronische Komponenten auf den Markt gebracht, die spezifisch für die Integration ins Textile designed wurden[7]. Ihre Forschung war Ausgangspunkt für eine ganze Reihe an Entwicklungen, wie elektronische Textilien, das Wissen um Elektronik, elektronische Gestaltung, Programmierung und textiles Arbeiten in die (schulische) Vermittlungsarbeit mit Kindern und Jugendlichen integriert werden kann[8].

Seitdem haben Modelabels ganze Kleider aus LEDs erstellt (Cute Circuit, 2009)[9], sowie Abendkleider mit LEDs auf den Haute Couture Laufsteg gebracht (Akris & Foster Rohner, 2014)[10]. Andere wiederum nutzen die neuartige Verschränkung von Textil und Elektronik, um die Aufmerksamkeit auf spezifische Themen zu lenken: The Climate Dress ist eine Kooperation einer Designfirma mit der Stickereiindustrie, bei dem die Helligkeit der einge- stickten LEDs auf den CO2-Gehalt in der Luft reagiert (Diffus & Foster Rohner, 2009)[11]. Rachel Freire hat mit Second Skin eine textile Plattform für die Verarbeitung von Daten-Signalen am Körper geschaffen[12] (Abb. 4).

In den Bereichen Gesundheit und Sport sind die Beispiele besonders anwendungsorientiert. Die Eigenschaften von Textil, unter anderem der direkte Körperkontakt, werden mit elektronischer Sensorik verknüpft. Produkte aus dem Gesundheitsbereich sind zum Beispiel Betteinlagen, die Nässe und Druck feststellen können, um dadurch zum Beispiel besser auf die Bedürfnisse bettlägeriger Personen reagieren zu können[13]. Auch Schuhsohlen können als Sensoren fungieren, und so zum Beispiel Ärzt*innen und Physiotheropeut*innen wertvolle Informationen zum Geh-verhalten übermitteln[14]. In Österreich macht sich vor allem die Smart-Textiles-Plattform Austria für diese An- wendungen stark und versucht (lokale) textile Industrie, Forschung und Anwendung miteinander zu verknüpfen.

Vor allem Beispiele aus den Bereichen Kunst und Design zeigen, wie weit man die Verschränkung von Textil und Elektronik denken kann. Maggie Orth hat als eine der ersten an elektronischen Textilien arbeitenden Küns- tlerinnen 2003 unter anderem damit experimentiert, die Farben von Textilien elektronisch zu steuern[15]. KOBAKANT, bestehend aus Hannah Perner-Wilson und Mika Satomi, haben 2007 mit Massage-Me einen trag- baren Game-Controller entwickelt: über die in der Weste integrierten Drucksensoren kann ein Videospiel gespielt werden, und der Trägerin der Weste wird der Rücken massiert[16] (Abb. 5). Afroditi Psarra arbeitet spezifisch an der Verschränkung von Sound und Textil, unter ander- em in der Gestaltung von textilen Antennen, oder textiler Synthesizer[17] (Abb. 6), sie setzt Sensoren in Textil um und setzt diese in Performances ein. EJTECH arbeiten ebenfalls experimentell mit Sound und Stoff, indem sie Stoffe als Soundkörper einsetzen und textile Lautspre- cher fertigen[18] (Abb. 7). Irene Posch und Ebru Kurbak wiederum haben 2018 aus historischen Goldfadenmate- rial und Magnetperlen einen funktionierenden Computer gestickt[19] (Abb. 8).

Abb. 4: Reichel Freire, Second Skin, 2017. Foto: Allan Amato, Model: Alicia Witt

Abb. 5: KOBAKANT (Hannah Perner-Wilson und Mika Satomi), Massage Me, 2007. Foto: Kobakant

Abb. 6: Afroditi Psarra, Lilytronica 2012. Foto: Afroditi Psarra

Abb. 7: EJTECH, Draping Sound, 2019. Ausstellung „Textile Techniken“, Abb. 6: Afroditi Psarra, Lilytronica 2012. Foto: Afroditi Psarra Galerie Hollenstein, Lustenau. Foto: Miro Kuzmanovic

Abb. 8: Irene Posch und Ebru Kurbak, The Embroidered Computer, 2018. Foto: Irene Posch

eTextile Sensoren und Aktuatoren in Handarbeit

Seit 2009 veröffentlicht das Kollektiv KOBAKANT auf ihrer Website “How to get what you want” detaillierte Anleitungen, wie textiles Handwerk eingesetzt werden kann um durch die Kombination von leitenden Materialien und speziellen Mus- tern spezifische elektronische Eigenschaften zu realisieren. Diese umfassen unter anderem Sensoren und Aktuatoren (Abb. 9). Ein Sensor ist ein elektrisches Bauteil, das die Veränderung physikalischer oder chemischer Eigenschaften in Strom umwandelt. Textile Sensoren können unter an- derem Druck oder Zug erkennen, wenn sich dadurch der Widerstand in ihrem Material ändert – wenn zum Beispiel die Metallfasern in einer Wolle näher zusammengedrückt werden. Äquivalent können andere Einwirkungen von außen gemessen werden, wenn diese zu einem geänder- ten elektrischen Widerstand im Material führen. Die oben erwähnten Produktbeispiele aus der Gesundheitsindustrie, sowie auch die vorgestellten Arbeiten von KOBAKANT und Afroditi Psarra sind ein Beispiel für den Einsatz textiler Sensoren.

Auch ein Schalter ist eine Sensor – ein Detektor dafür, ob ein Stromkreis geschlossen ist oder nicht. Auch der eTextile Tester beinhaltet einen Schalter: berührt man mit beiden Enden ein leitendes Material, wird der Stromkreis geschlossen, und die LED leuchtet. Berührt man aber ein weniger leitendes Material, kann weniger Strom fließen und die LED wird etwas weniger hell leuchten – die Leitfähigkeit des Materials, das berührt wird, wird so für uns erfahrbar.

Das Gegenstück zu Sensoren sind Aktuatoren (oder Aktoren), sie wandeln ein elektrisches Signal in veränder- bare physikalische Größen um (wie z.B. Wärme, Bewegung, Licht…). Im Beispiel des eTextile Testers erleuchtet die LED wenn Strom fließt, die Helligkeit ist abhängig davon, wie viel Strom fließen kann. Beispiele für Aktuatoren, die auch mit textilen Techniken hergestellt werden können, sind: Elektro- magnetische Aktuatoren, die Strom in Magnetfelder umwan- deln um so Bewegung oder Vibrationen zu erzeugen, wie ein gestickter Lautsprecher, bei dem die Spule textil gewebt, gestickt oder genäht werden kann. Die oben erwähnten Arbeiten von EJTECH zeigen eindrucksvoll welche Effekte damit erreicht werden können. Eine weitere Möglichkeit sind gestickte Spulen die zum Beispiel im Zusammenspiel mit magnetischen Perlen Display-Elemente ergeben können, oder Bewegung erzeugen können. Der oben erwähnte ges- tickte Computer nutzt diese Effekte aus[20]. Ein weiteres Beispiel sind thermochemische Pigmente, die bei bestim- mten Temperaturen die Farbe wechseln. Diese Pigmente können auf Fasern, Fäden oder Flächen angebracht werden. Der Farbwechsel kann wiederum über Hitze, die im Strom- kreislauf entstehen kann, herbeigeführt werden, wie in den oben erwähnten Arbeiten von Maggie Orth.

Abb. 9: Beispiele textiler Sensoren. Foto: Hannah Perner-Wilson

eTextile Tester Armband: Ein Werkzeug die Welt elektronischer Textilien zu entdecken

Das eTextile Tester Armband ist ein Werkzeug, um leitende Eigenschaften von Materialien zu testen. Das Werkzeug ist dabei selbst ein elektronisches Textil, ein Filzarmband, in das ein Schaltkreis eingenäht ist. Die Integration in das Armband macht es möglich, es überall hin mitzunehmen. Derart immer zur Hand, können Materialien – nicht nur textile – auf ihre elektrische Leitfähigkeit getestet werden. Sie werden zu einer Linse, durch die die Welt mit anderen Augen gesehen werden kann: welche leitenden Eigenschaften – Eigenschaften die wir mit menschlichen Sinnen, Seh- und Tastsinn, nicht hinreichend feststellen können – haben die Materialien in unserer Umgebung, in der Natur, im Kunstbedarfsgeschäft, am Designmarkt, in meiner Wohnung? Wird mit dem Armband das Material berührt, und so der Stromkreis geschlossen, leuchtet die integrierte LED und gibt so einen Hinweis auf die Leitfähigkeit des getesteten Materials. Leuchtet die LED nicht, ist der Stromkreis nicht geschlossen – ein Hinweis darauf, dass das getestete Material nicht elektrisch leitend ist.

Das Herstellen eines Werkzeuges selbst kann auch
als ermächtigende Erfahrung verstanden werden und
ist ein lohnender Einstieg in ein neues Feld. Man lernt Grundprinzipien der Elektronik, der Stromkreisgestaltung, des Ohm’schen Gesetzes und den Umgang mit textilen Materialien, die sich für den elektronischen Einsatz eignen, kennen. Das Resultat hat direkte Relevanz für das weitere Arbeiten im Bereich elektronischer Textilien.

Was noch? Was jetzt? Eigenständiges Arbeiten mit Elektronischen Textilien

Wenn das Interesse geweckt ist, kann die Arbeit an dem Tester-Armband der Start für das eigenständige Arbeiten werden: Grundlegende Prinzipien eines einfachen Strom- kreises wurden bereits umgesetzt, die ersten Schritte im Arbeiten mit dem Material erlernt. Zudem hat man nun ein Werkzeug mit dem man weitere leitende, und dadurch potentiell zu elektronischen Schaltkreisen, Sensoren oder Aktuatoren verarbeitbare Materialien, erkannt werden können. Die nächsten Schritte können gestalterischer, konzeptioneller, technischer Natur sein: Welche Form wäre für den Tester besser/schöner/adäquater? Welche anderen Interventionen könnte ich mit elektronischen Textilien umsetzen?

Um das eigenständige Arbeiten zu unterstützen, haben wir folgend Produzenten, Lieferanten und Lernunterlagen zusammengestellt die die eigenen Schritte unterstützen:

Produzenten und Lieferanten:

  • Exp-tech.de (Elektronik, eTextile Komponenten)
  • Semag.at (Elektronik Komponenten)
  • Conrad.at (Elektronik Komponenten)
  • Karl-Grimm.com (leitende Fäden, ab 1 kg)
  • Bekaert.com (leitende Stahlfasern und -fäden, ab 1 bzw. 5 kg)
  • Statex.de (leitende Stoffe und Fäden)
  • Mmaurer.at (Materialien der Goldstickerei in Kleinmengen)
  • ehajo.de/ewear/ (nähbare LEDs, leitender Faden in Kleinmenge)
  • div. Händler: Spezialgarne, Materialien, Perlen, Textilzubehör

Weiterführende Unterlagen:

Referenzen

[1] Das Buch Exodus, Kapitel 39 “Die Anfertigung der Priestergewänder“

[2] Sophie Fürnkranz, 2005. Metallstickerei im Außereuropäischen Raum: Beispiele aus der Sammlung des Weltmuseums Wien. In W. Seipel (Ed.): Technologische Studien, Kunsthistorisches Museum: Konservierung – Restaurierung – Forschung – Technologie. Band 2. Wien: KHM-Museumsverband.

[3] Zusätzlich zur Produktion von Garnen mit spezifischer Leitfähigkeit oder Widerstand, wird zunehmend an Garnen geforscht die elektronische Komponenten oder auch ganze Schaltkreise integrieren.

[4] Alfred Stromberg, 1892. Burglar Alarm. US Patent.

[5] C. Gopalsamy, S. Park, R. Rajamanickam, and S. Jayaraman. 1999.The Wearable Motherboard:
The first generation of adaptive and responsive textile structures (ARTS) for medical applications. VirtualReality 4, 3 (Sept. 1999), 152–168.

[6] E. R. Post and M. Orth. 1997. Smart fabric, or “wearable clothing”. In Digest of Papers. First International Symposium on Wearable Computers. 167–168.

[7] Leah Buechley and Mike. Eisenberg. 2008. The LilyPad Arduino: To-ward Wearable Engineering for Everyone. IEEE Pervasive Computing 7, 2 (April 2008), 12–15.

[8] Irene Posch, Liza Stark, and Geraldine Fitzpatrick. 2019. eTextiles: Reviewing a Practice through its Tool/Kits. In Proceedings of the 23rd International Symposium on Wearable Computers(ISWC ’19). ACM, New York, NY, USA, 195-205.

[9] Cute Circuit, Galaxy Dress, 2009. Online unter: https://cutecircuit.com/the-galaxy-dress/

[10] Akris in Kollaboration mit Foster Rohner, LED dress, 2014. Onliner unter: https://fashioningtech. com/2014/03/04/akris-rtw-fall-2014-collection- incorporates-embroidered-led-lights/

[11] Diffus in Kollaboration mit Foster Rohner, Climate Dress, 2009. Online unter: https://www.naestved- museum.dk/da/node/4/pimp-your-ride/content/climate- dress

[12] Rachel Freire, Second Skin, 2017. Online unter: https://www.rachelfreire.com/second-skin

[13] zB. Texible Pfelgeunterstützung. Online unter: https://www.texible.at/

[14] zB. Stapp One Mobility 365. Online unter: https:// stappone.com/

[15] Maggie Orth, zB. Big Dot, 2003. Online unter: http:// www.maggieorth.com/art_BigDot.html weitere Arbeiten unter: http://www.maggieorth.com/

[16] Kobakant, Massage Me, 2007. Online unter: https:// www.kobakant.at/massage-me/?menu=2 weitere Arbeiten unter: kobakant.at

[17] Afroditi Psarra, zB. Lilitronica, 2012. Online unter: http://afroditipsarra.com/index.php?/on-going/lily/ weitere Arbeiten unter: afroditipsarra.com

[18] EJTECH Studio, zB. Draping Sounds, 2019. Online unter: http://ejtech.cc/?page_id=2251 weitere Arbeiten unter: ejtech.cc

[19] Irene Posch und Ebru Kurbak, The Embroidered Computer, 2018. Online unter: http://www.ireneposch. net/the-embroidered-computer/

[20] Irene Posch and Ebru Kurbak. 2016. CRAFTED LOGIC Towards Hand-Crafting a Computer. In Proceedings of the 2016 CHI Conference Ex-tended Abstracts on Human Factors in Computing Systems (CHI EA’16). ACM, New York, NY, USA, 3881–3884