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Künstlicher Tastsinn: Eine hochauflösende Sensorhaut für Roboter

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Oft mangelt es Robotern am nötigen Fingerspitzengefühl: Die Sensoren in ihren Greifhänden schneiden beim Vergleich mit dem menschlichen Tastempfinden schlecht ab – was besonders dann ungünstig ist, wenn zerbrechliche Objekte zu handhaben sind. Forscher um Wenzhuo Wu vom Georgia Institute of Technology haben deshalb ein Verfahren entwickelt, das diesen Missstand beseitigen helfen könnte.

Ihre biegsame und durchsichtige Sensorhaut könnte künftig Greifer oder andere Oberflächen eines Roboters überziehen und Berührungen auf Bruchteile eines Quadratzentimeters genau melden. Das Auflösungsvermögen und die Empfindlichkeit ihres Systems liege im Bereich der menschlichen Tastgenauigkeit: Auf einen Quadratzentimeter kämen 8464 Einzelsensoren (verglichen mit etwa 240 in der menschlichen Fingerspitze), die Drücke in einem Bereich von wenigen Kilopascal (kPa) bis etwa 30 kPa messen können (10 bis 40 kPa in der Haut), schreibt das Team.

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Durchsichtig und biegsam | Das von den Forschern um Wu entwickelte System hat den Vorteil, sowohl durchsichtig als auch biegsam zu sein. Zum Beweis seiner Widerstandsfähigkeit badeten die Forscher die Folie 24 Stunden in Wasser – ihrer Funktionstüchtigkeit tat das keinen Abbruch.

Der Trick gelingt ihnen mit Hilfe von Nanotechnologie, genauer gesagt mit Zinkoxid-Nanodrähten. Die nur rund 500 Nanometer im Durchmesser messenden Stäbchen stehen in gitterförmiger Anordnung senkrecht von der Unterlage ab und sind am oberen und unteren Ende mit Elektroden versehen. Werden sie bei Berührung gebogen, sorgt ein piezoelektrischer Effekt dafür, dass sich der Stromfluss zwischen den Elektroden verändert. Dieses Signal kann von einem Computer ausgelesen und interpretiert werden.

Derzeit stehen bei jedem der "Taxel" genannten Sensorpunkte immer Bündel von etwa 1500 Drähten dicht beisammen. Sollte sich deren Anzahl in künftigen Versionen weiter reduzieren lassen, dürfte die Empfindlichkeit noch erheblich wachsen.

Bislang befindet sich das System von Wu und Kollegen erst in einem Versuchsstadium. Ob ihr Prototyp sich in ein Massenprodukt übersetzen lässt, das den harten Dauereinsatz im Roboter überlebt, und wenn ja, wie es mit den Kosten aussieht, muss sich erst noch weisen. Zumal es nicht das einzige Verfahren ist, mit dem Forscher die Empfindungslosigkeit der heutigen Robotergeneration beseitigen wollen.

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Detail des Aufbaus | 92 mal 92 ihrer "piezotronischen Transistoren" brachten die Wissenschaftler pro Quadratzentimeter unter. Deutlich erkennbar ist der äußere Kranz aus Anschlüssen, die zum Auslesen der Berührungen der aktiven Fläche innen dienen.

Sollte ihr System in der Robotik keine Anwendung finden, haben die Wissenschaftler allerdings bereits mehrere alternative Verwendungszwecke ins Auge gefasst. Eine mit ihrer Sensorhaut bestückte Fläche könne als berührungsempfindliches Eingabegerät dienen. Außerdem sollte die Haut in der Lage sein, Formveränderungen eines Gegenstands zu messen, um den sie gelegt wurde. Dadurch könnte das System zum Beispiel Prothesenträgern Rückmeldung über ihre künstlichen Gliedmaßen geben. Und schließlich lassen sich mit einzelnen Sensorelementen vielleicht sogar Mechanorezeptoren des Körpers nachahmen – vergleichbar den Sinneshärchen im Innenohr, die Geräusche anhand von feinen Druckschwankungen detektieren.

18. KW 2013

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 18. KW 2013

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