Wearables selbst gemacht: Mit Nadel, Faden und 3 Volt
Elektronik in Textilien – oder elektronische Textilien: Beides ist mit Leah Buechleys(öffnet im neuen Fenster) Lilypad(öffnet im neuen Fenster) nicht erfunden worden. Doch erst mit diesem Arduino-kompatiblen Board wurde das Thema für ein größeres Publikum zugänglich. Nun ist es auch Laien möglich, tragbare elektronische Ideen allein mit Nadel, elektrisch leitfähigem Garn und ein wenig Programmierung umzusetzen, seien es Bekleidung, Accessoires oder Heimtextilien.
Wir wollten es genauer wissen und haben Lötkolben und Lötzinn gegen Nadel und Faden ausgetauscht. Zuerst stand für uns im Vordergrund, überhaupt mit der Materie vertraut zu werden. Dann sollte auch ein konkretes Projekt entstehen: Lilypad Cat, das interaktive Kissen.
Mit Garn statt Kabel
Sauberer Küchentisch statt ölverschmierter Werkstatt: Das Motto "Das bisschen Haushalt" schwingt mit. Doch elektronische Schaltkreise zu nähen, ist keineswegs einfacher, als sie zusammenzulöten. Tatsächlich gibt es nicht nur ganz persönliche Herausforderungen, jeder Bastler sieht sich auch mit Problemen konfrontiert, die auch in der Industrie noch nicht gelöst wurden.
Elektronik direkt an oder auf Kleidung und Textilien war lange Zeit ein Problem, weil Bauelemente und die notwendige Verkabelung dem Tragekomfort abträglich waren. Die Bauelemente sind mittlerweile geschrumpft, der Strombedarf gleichfalls. Doch Kupferdraht zur Verkabelung ist nicht nur ein potenzielles Problem für Allergiker, er ist auch nicht flexibel genug, um mit dem Stoff zu arbeiten. Das bedeutet, dass die Leitungen stets beim Tragen zu spüren sind, aber auch, dass sie durch Reibung und mechanische Beanspruchung den Stoff langfristig schädigen können. Elektrisch leitfähiges Garn ist also nicht nur eine Frage der Ästhetik.
Woher nehmen?
Es gibt eine ganze Reihe Anbieter für das Lilypad und elektronisches Zubehör selbst. Letztlich können auch eigene Platinen hergestellt werden. Doch ohne elektrisch leitfähiges Nähgarn ist das nutzlos.
Wir haben im Vorfeld zu unserem Projekt ein wenig zum Thema elektronische Textilien speziell in Deutschland recherchiert, auch um Bezugsquellen zu finden. Und wir haben dabei einige interessante Projekte wie Lumoled (PDF)(öffnet im neuen Fenster) gefunden. Darüber hinaus sind wir auch auf verschiedene deutsche Hersteller elektrisch leitfähiger Garne und Textilien gestoßen. Diese Garne sind sehr hochwertig und eignen sich auch für die Verarbeitung per Nähmaschine. Doch sie sind recht teuer – und im Einzelhandel nicht zu bekommen.
Die stahlbasierten Conductive Threads von Watterott(öffnet im neuen Fenster) oder Tinkersoup(öffnet im neuen Fenster) haben diesen Hightec-Garnen gegenüber einige Nachteile, dafür sind sie auch für Hobbybastler erhältlich und bezahlbar.
Vorsicht ist in Bastelläden angesagt. Dort gibt es häufig sogenanntes metallisches oder metallisiertes Garn; damit ist aber immer die reine Optik gemeint, elektrisch leitfähig ist es nicht.
Aller Anfang ist fummelig
Wer Schaltkreise nähen will, sollte – nähen können. Und das verlangt Übung. Es empfiehlt sich wirklich, im Vorfeld zunächst mit normalem Garn zu üben. Auch das Annähen von Knöpfen sowie das Verknoten von Garnenden mit einer Nadel sollte geübt werden. Denn diese Fingerfertigkeiten werden notwendig sein. Nur wer sich dabei sicher fühlt, sollte einige Probestiche mit dem teureren, elektrisch leitfähigen Garn durchführen.
Schon das Einfädeln zeigt die Schwierigkeiten des Garns: Es ist dicker als das übliche Nähgarn. Zudem ist die Oberfläche deutlich rauer. Diese Eigenschaft des Garns macht sich auch beim Nähen selbst bemerkbar. Das leitfähige Garn auf Stahlbasis ist außerdem nicht so reißfest wie Kunstfasergarn. Deshalb sollten Anfänger lieber ein paar Meter leitfähiges Garn zu viel als zu wenig kaufen.
Das Lilypad
Es gibt inzwischen zwei verschiedene Typen der Lilypad-Mikrocontroller-Boards. Dazu kommen weitere fertige Shields für diverse Bauelemente wie LEDs, Sensoren, aber auch die Stromversorgung. All diesen Platinen gemeinsam sind ihre runde beziehungsweise stark abgerundete Form, große Löcher für Anschlüsse und die Tatsache, dass die Platine selbst meist dünner ausfällt als andere Boards und Shields.
Diese Eigenschaften sind nicht einfach Markenzeichen oder ein "fancy" Design, sondern haben handfeste Vorteile. Die Form ohne Ecken verhindert Schäden am Stoff und erhöht den Tragekomfort. Außerdem schafft sie mehr Platz, um das Garn an den Anschlüssen anzuknoten.
Die Boards können ohne Einschränkung mit der Arduino-IDE programmiert werden. Ein direkter Anschluss mit einem einfachen USB-Kabel ist allerdings nicht immer möglich, auf den Boards befindet sich meist nur ein FTDI-Anschluss zur Programmierung.
Welches Lilypad für welches Projekt?
Das Lilypad Arduino Mainboard ist die große Version des Lilypad mit 14 IO-Anschlüssen und 6 Analog-Input-Anschlüssen. Es kommt dem Arduino Uno R3 am nächsten.
Das Simple Board besitzt einen Batterieanschluss direkt auf der Platine. Allerdings hat es deutlich weniger IO- und Analog-Input-Anschlüsse. Es gibt einige Variationen des Simple Boards, wie den Simple Snap mit elektrisch leitfähigen Druckknöpfen für Anschlüsse und mit eingebautem Lipo-Akku, aber auch eine Variante mit USB-Anschluss statt FTDI.
Mittlerweile gibt es auch Lilypad-Klone wie den Tinylily(öffnet im neuen Fenster) und Adafruits Flora(öffnet im neuen Fenster) , die sich bei den technischen Daten unterscheiden, aber die Grundidee fortführen. Leider gibt es sie selten bei deutschen Anbietern.
Das Simple Board ist für erste Experimente gut geeignet. Das Mainboard ist das Richtige für alle, die die Menge an Anschlüssen benötigen. Auch wenn die Preisdifferenz zwischen den beiden nur gering ist, das Mehr an Anschlüssen erfordert höhere Fähigkeiten beim Nähen, außerdem gilt es, die Frage der Stromversorgung zu klären, da es keinen Batterieanschluss auf dem Board gibt.
Unsere ersten Schritte
Im Vorfeld taten wir zwei Dinge: Wir bestellten einen ganzen Sack voll Lilypad-Sensoren und LEDs sowie ein Lilypad-Mainboard und natürlich Garn. Und wir suchten uns Unterstützung beim Nähen und Sticken. Nicht etwa weil wir keinen Knopf annähen können, sondern weil unser Projekt auch nach etwas aussehen sollte und manches Problem mit etwas Näh-, Stick- und Stoff-Know-how besser gelöst werden kann.
Widerstände allerorten
Wir begannen, zu planen und draufloszunähen. Doch schon unser erster Prototyp zeigte das entscheidende Problem, das uns im Laufe der Zeit immer wieder begegnete: der elektrische Widerstand des Garns selbst und an jeglichen Übergängen.
Der elektrische Widerstand in Leitungen wird von den meisten Hobbytüftlern vernachlässigt. Bis auf wenige Fälle ist das auch kein Problem, da der Widerstand recht gering ist. Anders ist es beim Garn: Da kann er das 10- bis 20fache von klassischem Kupferdraht betragen.
Die nächste Falle ist die Verbindung des Garns mit den Anschlüssen an Bauelementen. Dafür wird das Garn straff um die Anschlüsse der Bauelemente gewickelt. Straff bedeutet nicht fest verbunden, ein wenig Spiel bleibt immer. Wenn aber das Garn nicht mit seiner ganzen Oberfläche Kontakt hat, entsteht zwangsläufig ein höherer Widerstand am Übergang.
Beabsichtigte Verbindungen zwischen zwei Nähten werden durch Verknoten hergestellt. Auch hier gilt, dass dabei nicht die ganze Oberfläche des Garnendes zur Übertragung beiträgt – im Gegensatz zu einer gelöteten Verbindung mit satt verzinnten Enden.
Selbst bei kleineren Schaltungen können sich diese Effekte zu einem Gesamtwiderstand von einem halben kOhm und mehr addieren. Es kommt aber noch schlimmer: Dieser Widerstand variiert, wenn sich unsere Schaltung bewegt, und im Zweifel wird er dabei größer. Durch Dehnen und Falten des Stoffes – und damit der Nähte – bewegen sich die Garnwicklungen an den Anschlüssen und haben mal mehr, mal weniger Kontakt. Strecken und Dehnen des Garns selbst scheint ebenfalls einen Einfluss auf den Widerstand zu haben.
Wir hatten gehofft, eine einfache 3V-Knopfzelle würde für unser Projekt reichen. Es war uns klar, dass unser erster Prototyp aufgrund zu vieler Bauelemente nicht damit auskommen würde. Aber auch für unseren zweiten, funktional abgespeckten Prototyp genügte dies nicht. Genau genommen war es genug, aber nur, solange die Schaltung unbewegt dalag. Sobald Bewegung in die Sache kam, lief es nur noch instabil.
Die (Nicht-)Lösung
Wir haben verschiedene Methoden ausprobiert, um den Widerstand zu senken.
Am einfachsten ist es, mehrere Nähte zwischen Anschlüssen parallel zu verwenden. Leider ist das aus Platzgründen nur selten umzusetzen und aufwendig. Aber diese Vorgehensweise lohnt sich, wenn längere Strecken überwunden werden müssen, zum Beispiel entlang eines Ärmels oder Hosenbeines.
Des Weiteren prüften wir, wie sich bestimmte Nähtechniken auf den Widerstand auswirkten. Das Ergebnis war eindeutig: Die einfachste Nähtechnik ist auch die beste. Die absolute Länge des verwendeten Garns zählt, und bei der einfachsten Technik entspricht die Nahtlänge fast der Garnlänge. Andere Nähtechniken verlängern diese teilweise deutlich. Deswegen sollte das leitfähige Garn auch nicht zum klassischen Vernähen zweier Stoffteile verwendet werden, auch wenn sich das eventuell aus anderen Gründen anbietet.
Je nach Projekt bietet auch das Maschinennähen eine Lösung, die sich eigentlich aus einem Nachteil des verwendeten leitfähigen Garns ergibt. Bei der heute üblichen Technik kommen dabei zwei Garne gleichzeitig zum Einsatz: der Oberfaden und der Unterfaden. Der Oberfaden ist üblicherweise jener, der als Naht sichtbar ist. Er wird durch den Unterfaden festgehalten. Auf Wikipedia ist das hübsch illustriert(öffnet im neuen Fenster) .
Aufgrund der beim Maschinennähen wirkenden Kräfte ist das leitfähige Garn als Oberfaden ungeeignet und kann nur als Unterfaden verwendet werden. Doch das ist hier von Vorteil. Denn der Unterfaden liegt dabei einfach am Stoff an, die Nahtlänge entspricht praktisch direkt der Garnlänge. Allerdings ist es sehr schwierig, mit der Maschine zu nähen, wenn sich Bauelemente bereits auf dem Stoff befinden. Wenn aber diese erst nachträglich per Hand aufgenäht und verbunden werden müssen, stellt sich wieder das Problem mit den Übergangswiderständen durch Verknoten. Noch dazu müssen mit einer Maschine Nähte auf engem Raum und mit engen Kurvenradien bearbeitet werden. Deshalb bleibt die Methode eher bestimmten Spezialfällen vorbehalten.
Letztlich haben wir aber das Widerstandsproblem pragmatisch gelöst: Wir verabschiedeten uns von der Knopfzelle und entschieden uns für einen Batteriehalter mit 5V-Regulator.
Ansonsten gilt die simple Regel: Halte die Leitungen so kurz wie möglich. Das alte Elektriker-Mantra von gerade oder rechtwinklig gezogenen Leitungen greift hier nicht.
Planungsschwierigkeiten
Wer einen Schaltplan auf Stoff entwirft, merkt, wie praktisch eigentlich Breadboards und Leiterplatten sind. Bei ihnen stehen drei Dimensionen beim Planen zur Verfügung, Stoffschaltkreise sind hingegen eher zweidimensional. Kreuzen sich auf einer Platine zwei Leitungen, so kann der Tüftler einfach eine Drahtbrücke setzen. Kreuzen sich drei Leitungen an einem Punkt, kommt noch eine Drahtbrücke darüber, oder die Konstruktion wird geändert und er lötet Bauelemente auf beide Seiten der Platine. Außerdem sind die Leitungen stets gegeneinander isoliert.
Eine einfache Brücke ist auch beim Nähen möglich: Die Naht wird sowieso abwechselnd über und unter dem Stoff geführt. Also ist nur zu beachten, dass an einer Kreuzung eine Naht über und die andere unter dem Stoff geführt wird.
Ganz trivial ist das aber trotzdem nicht, da dabei Raum zwischen den Durchstichstellen gelassen werden muss, damit sich die Nähte nicht zu nahe kommen. Wird jedoch zu viel Raum gelassen, hat das Garn zu viel Spiel und liegt nicht mehr am Stoff an. Sobald sich der Stoff bewegt, kann dieser Abschnitt zu Problemen durch unerwünschten Kontakt mit anderen Nähten führen oder an etwas hängenbleiben und dabei aufreißen.
Die Option, Bauelemente auf beiden Seiten des Stoffes zu platzieren, um einen kreuzungsfreien Schaltkreis zu erhalten, steht unter normalen Umständen nicht zur Verfügung. Schließlich sind die Nähte prinzipbedingt dann immer noch auf beiden Seiten des Stoffes zu finden.
Anders verhält es sich beim Maschinennähen. In diesem Fall liegt das leitfähige Garn tatsächlich jeweils nur auf einer Seite. Damit lassen sich Schaltungen realisieren, um zum Beispiel eine LED-Matrix zu steuern. Die Masse-Anschlüsse laufen dabei auf der Rückseite des Stoffes, die Signalleitungen mit den LEDs auf der Vorderseite.
Eher fortgeschrittene Fähigkeiten erfordern Multilayer-Layouts mit Stoff. Eine Variante besteht darin, das Garn horizontal durch dicken Filz zu führen, so dass es weder an der Vorder- noch Rückseite sichtbar ist. Oder es wird ein Teil des Schaltkreises mit etwas Stoff und normalem Garn durch Übernähen abgedeckt. Darüber wird eine weitere Stofflage als Basis für einen Schaltkreis verwendet.
Garn ist kein Draht
Garn ist nicht nur kein Draht, es hat auch keine Isolierungsschicht. Das hat in der Anwendung zwei Folgen: Nähte dürfen nicht zu eng nebeneinander stehen, und an "normalen", handelsüblichen Bauelementen wird es fummelig.
Wer mit einer Lupe einen Blick auf das leitfähige Garn wirft, wird sehen, dass von ihm kleinste Faser-Enden abstehen. Das ist nichts Spezielles und trifft für praktisch alle Garne zu, schließlich bestehen Garne und Gewebe aus einer Vielzahl kurzer, miteinander verwobener Fasern.
Das bedeutet aber, dass zwei nebeneinanderliegende leitfähige Garne miteinander Kontakt haben können, auch wenn das nicht sofort mit bloßem Auge ersichtlich ist. Tatsächlich konnten wir sogar Kurzschlüsse mit kleinen Lichtbögen beobachten, die uns einen Schreck einjagten.
Spätestens hier wird klar, warum die Anschlüsse der Lilypad-Bauelemente keine klassischen Raster-Abmaße aufweisen.
Kritisch wird es dann mit normalen Bauelementen – wir probierten hier Neopixel-Elemente(öffnet im neuen Fenster) , deren Anschlüsse im 2,54-mm-Raster lagen. Es war nicht einfach, diese Elemente so anzunähen, dass sie zum einen fest mit dem Stoff verbunden waren, zum anderen die Nähte – und Knoten – nicht miteinander in Kontakt kamen.
Lilypad Cat
Auch wenn es primär um Wearables geht, für unsere ersten Experimente wollten wir keine Kleidung opfern. Nur ein Stück Stoff zu zeigen, war uns aber zu wenig. Deswegen entschieden wir uns für ein interaktives Kissen.
Lilypad Cat sollte auf Benutzer-Aktionen reagieren: mit Miauen und funkelnden Augen, wenn das Kissen bewegt, geworfen oder an den Körper gedrückt wird. So entstand unser erster Prototyp auf Stoff, der LEDs, Sensoren und einen Piezo-Lautsprecher nutzte. Damit sammelten wir die oben geschilderten Erfahrungen und führten diverse Tests durch.
Nachdem uns die Schwierigkeiten schmerzlich bewusstgeworden waren, entschieden wir uns bei der finalen Kissenvariante für einen deutlich abgespeckten Entwurf, um das Projekt zeitlich nicht ausufern zu lassen: Es kamen nur noch drei einfache LEDs und ein Beschleunigungssensor zusammen mit dem Lilypad zum Einsatz.
Das Lilypad selbst, der Beschleunigungssensor und die Stromversorgung nähten wir auf der Seite des Stoffes, welche im Kissen nach innen zeigt. Die LEDs kamen auf die nach außen zeigende Seite. Auf diese Weise ist einerseits die Elektronik besser geschützt, andererseits kann das Kissen dadurch immer noch als Kopfkissen verwendet werden, da keine kleinen Bauteile durch den Stoff drücken.
Die Programmierung erfolgte über die Arduino-IDE und stellte keine große Aufgabe dar. Periodisch werden die Werte des Beschleunigungssensors eingelesen. Abhängig vom Erreichen bestimmter Grenzwerte blinken die LEDs mit unterschiedlicher Frequenz.
Das Finish erhielt das Kissen schließlich durch eine Katzenstickerei.
Fazit
Elektronische Klamotten und Textilien werden mit aktueller Technik tatsächlich alltagstauglich. Dem ersten Real-Life- Towelie(öffnet im neuen Fenster) steht nichts mehr im Weg. Allerdings sollte Towelie nicht das erste Projekt eines Bastlers sein, denn an die handwerklichen Fähigkeiten im Umgang mit Nadel, Faden und Stoffen sind hohe Anforderungen gestellt – und gestandene Elektroniktüftler und Hobbymaschinenbauer dürften sich schnell wie Anfänger fühlen. Selbst zwei, drei leuchtende LEDs auf einem T-Shirt sind schon ein großes Erfolgserlebnis, dem einige Misserfolge vorangegangen sein können.
- Anzeige Hier geht es zum Arduino Uno R4 Minima bei Amazon Wenn Sie auf diesen Link klicken und darüber einkaufen, erhält Golem eine kleine Provision. Dies ändert nichts am Preis der Artikel.