Ein Forscherteam des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat einen „atmungsaktiven“ Trainingsanzug entwickelt, dessen Belüftungsöffnungen sich als Reaktion auf Körperwärme und Schweiß des Athleten öffnen und schließen. Die Ventile sind mit lebenden mikrobiellen Zellen ausgekleidet, die sich bei Änderungen der Luftfeuchtigkeit zusammenziehen und ausdehnen. Die Zellen wirken wie winzige Sensoren und Aktoren: Sie öffnen die Klappen, wenn der Athlet zu schwitzen beginnt, und schließen sie, wenn der Körper abgekühlt ist. Zusätzlich zum Anzug entwickelten die Wissenschaftler Turnschuhe mit einer inneren Schicht ähnlicher Zellventile, um Luft und Feuchtigkeit freizusetzen.
Warum Zellen in empfindlichen Geweben verwenden? Forscher argumentieren, dass feuchtigkeitsempfindliche Zellen keine zusätzlichen Elemente benötigen, um Feuchtigkeit wahrzunehmen und darauf zu reagieren. Es wurde auch nachgewiesen, dass die Verwendung von mikrobiellen Zellen für den Kontakt mit der Haut sicher ist. Darüber hinaus können Sie dank der heute verfügbaren gentechnischen Instrumente sehr schnell eine große Anzahl von Zellen so vorbereiten, dass sie neben der Reaktion auf Feuchtigkeit auch verschiedene Funktionen erfüllen können.
Um diese Fähigkeit zu demonstrieren, entwickelten die Forscher feuchtigkeitsempfindliche Zellen, die nicht nur die Höcker öffnen, sondern auch als Reaktion auf Änderungen der Luftfeuchtigkeit leuchten. Mit den Methoden der Genetik fügten die Forscher Fluoreszenz hinzu, und im Dunkeln wird die Silhouette einer Person, die joggt, spürbar ... In Zukunft können Wissenschaftler die Fähigkeiten von Zellen mit der Funktion der Geruchsextraktion kombinieren: Nach dem Besuch im Fitnessstudio riecht das Hemd oder T-Shirt des Athleten süß.
In der Natur haben Biologen beobachtet, dass Lebewesen und ihre Strukturelemente, von Schuppen über mikrobielle Zellen bis hin zu bestimmten Proteinen, ihre Struktur oder ihr Volumen als Reaktion auf Änderungen der Luftfeuchtigkeit ändern können. Das MIT-Team hat die Hypothese aufgestellt, dass natürliche Formwandler wie Hefe, Bakterien und andere mikrobielle Zellen als Bausteine zur Erzeugung feuchtigkeitsempfindlichen Gewebes verwendet werden können.
Diese Zellen sind so stark, dass sie das Substrat, auf das sie aufgetragen werden, biegen können. Zunächst arbeiteten die Forscher mit dem häufigsten nicht pathogenen Stamm von E. coli (E. coli), der als Reaktion auf eine Änderung der Luftfeuchtigkeit anschwoll und schrumpfte. Sie entwarfen zusätzlich Zellen, um das grün fluoreszierende Protein zu exprimieren, so dass die Zelle leuchten kann, wenn sie eine Änderung der Feuchtigkeit wahrnimmt.
Unter Verwendung des Zelldruckverfahrens brachte das Team parallele Linien von E. coli-Zellen auf Latexfolien auf und bohrte unter Bedingungen hoher Luftfeuchtigkeit Löcher in das Gewebe. Beim Trocknen auf einem Elektroherd zogen sich die Zellen zusammen und drehten die obere Latexschicht. Die Zellen glühten und dehnten sich auf Wasserdampf aus, wodurch der Latex ausgerichtet wurde. Nach Ansicht von Wissenschaftlern hat sich nach hundert solcher Zyklen die Schicht mit den Zellen und dem gesamten Gewebe praktisch nicht abgenutzt.
Bei der Entwicklung von Kleidung arbeiteten die Forscher mit Biomaterial und entwarfen einen Laufanzug mit zellulären Latexventilen, die in die Rückseite des Anzugs eingenäht waren. Sie bestimmten die Größe jeder Klappe sowie den Grad ihrer Offenheit anhand von Bildern des menschlichen Körpers mit darauf abgelagerten Wärme- und Schweißzonen.
Das Forschungsteam konzentriert sich auf die Tatsache, dass nicht alle Körperteile auf die gleiche Weise Wärme und Schweiß produzieren. So wird zum Beispiel im unteren Teil der Wirbelsäule viel Schweiß erzeugt, aber nicht sehr viel Wärme. Wissenschaftler haben die Kleidung mit diesen „Karten“ neu gestaltet: Wo der Körper mehr Wärme produziert, nehmen die Klappen zu.
Stützrahmen unter jedem Latexlappen verhindern, dass die innere Gewebeschicht direkt mit der Haut in Kontakt kommt. Gleichzeitig können die Zellen Änderungen der Luftfeuchtigkeit direkt über der Haut erfassen und darauf reagieren. In Versuchen zum Testen des Laufanzugs zogen sich die Teilnehmer an und übten auf Laufbändern und Fahrrädern. Die Forscher überwachten die Temperatur und Luftfeuchtigkeit der Testpersonen mit kleinen Sensoren auf dem Rücken.
Nach fünf Minuten Training öffneten sich die Klappen des Anzugs genau in dem Moment, als die Teilnehmer des Experiments über die Freisetzung von Schweiß und ein Gefühl von Wärme berichteten. Sensoren zeigten, dass die Dämpfer im Gegensatz zu einem ähnlichen Laufanzug mit nicht funktionierenden Ventilen Schweiß effektiv entfernten und die Körpertemperatur senkten.
MIT-Wissenschaftler haben auch feuchtigkeitsempfindliches Gewebe in einen groben Prototypschuh integriert. Wo der Fuß die Innensohle des Schuhs berührt, nähten die Forscher mehrere nach unten gebogene Ventile. Die Zellschicht zeigt zum Bein des Läufers, berührt es jedoch nicht. Bei der Entwicklung von Turnschuhen konzentrierten sie sich auch auf Wärme- und Schweißkarten des Fußes und Standardabmessungen.
Wie beim Trainingsanzug öffneten sich die Klappen der Laufschuhe und leuchteten auf, als die Forscher die Luftfeuchtigkeit im Raum erhöhten. Unter trockenen Bedingungen hörte die Lumineszenz auf, die Klappen schlossen sich.
Die Forscher beabsichtigen, mit Sportbekleidungsunternehmen zusammenzuarbeiten, um ihre Projekte zu kommerzialisieren. Ein Team von Wissenschaftlern erforscht andere Bereiche der Technologieanwendung, einschließlich wasserdichter Vorhänge, Lampenschirme und Laken. Darüber hinaus sind sie daran interessiert, die Verpackung von Waren zu überdenken. Das Konzept einer zweiten Haut könnte flexiblen Verpackungen neues Leben einhauchen.
doi:
10.1126 / sciadv.1601984