Elektronische Haut verarbeitet gleichzeitig verschiedene Reize

| Redakteur: Hendrik Härter

Forscher aus Dresden und der Schweiz haben einen elektronischen Sensor entwickelt, der Signale sowohl taktil als auch berührungslos verarbeitet. Diese Art einer elektronischen Haut könnte eine bessere Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine bilden.
Forscher aus Dresden und der Schweiz haben einen elektronischen Sensor entwickelt, der Signale sowohl taktil als auch berührungslos verarbeitet. Diese Art einer elektronischen Haut könnte eine bessere Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine bilden. (Bild: HZDR / D. Makarov)

Wissenschaftler haben eine Art künstliche Haut entwickelt: Der elektronische Sensor kann gleichzeitig berührungslos und im direkten Kontakt verschiedene Reize verarbeiten und ist dabei flexibel wie eine Folie. Denkbar ist beispielsweise der Einsatz in der virtuellen Realität (VR), aber auch in der Medizin.

Durch den geschickten Einsatz von Magnetfeldern konnten Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und der Johannes Kepler Universität Linz erstmals einen elektronischen Sensor entwickeln, der gleichzeitig Reize sowohl berührungslos als auch durch den direkten Kontakt verarbeiten kann. Bisher sind Versuche, diese Funktionen auf einem einzelnen Gerät zu vereinen, an den überschneidenden Signalen der verschiedenen Stimuli gescheitert. Da sich der Sensor problemlos auf der menschlichen Haut auftragen lässt, könnte er intuitivere und natürlichere Interaktionen in Umgebungen der Virtuellen oder Erweiterten Realität ermöglichen.

Das größte Organ des Menschen – die Haut – ist das wohl funktionell vielseitigste Körperteil: Sie kann nicht nur verschiedenste Reize in wenigen Sekunden unterscheiden, sondern auch die Intensität der Signale über eine weite Spanne einordnen. Einem Forscherteam um Dr. Denys Makarov vom HZDR-Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung sowie dem Soft Electronics Laboratory von Prof. Martin Kaltenbrunner der Linzer Universität ist es gelungen, ein elektronisches Gegenstück herzustellen, das ähnliche Eigenschaften aufweist. Nach Ansicht der Wissenschaftler könnte ihr neuer Sensor das Zusammenspiel zwischen Mensch und Maschine stark vereinfachen, wie Denys Makarov erklärt: „Anwendungen in der Virtuellen Realität werden immer komplexer. Wir benötigen deswegen Verbindungsgeräte, die unterschiedliche Interaktionsmethoden kombinieren.“

Magnetisch mikro-elektromechanisches System

Berührungen registrieren oder indem sie Objekte über technische Mittel berührungslos verfolgen. Zum ersten Mal sind die beiden Interaktionswege nun auf dem Sensor, den die Wissenschaftler als „Magnetisches mikroelektromechanisches System“ (m-MEMS) bezeichnen, vereint. „Unser Sensor verarbeitet die elektrischen Signale der berührungslosen und der taktilen Interaktionen in unterschiedlichen Regionen“, erläutert der Erstautor der Veröffentlichung, Dr. Jin Ge vom HZDR, und fährt fort, „dadurch kann er den Ursprung der Reize in Echtzeit unterscheiden und störende Einflüsse von anderen Quellen ausblenden.“ Grundlage dafür ist das ausgefallene Design, das die Wissenschaftler ausgetüftelt haben.

Auf einer hauchdünnen Polymer-Folie haben sie zunächst einen Magnetsensor angebracht, der auf dem sogenannten Riesenmagnetowiderstand (GMR, Giant Magneto Resistance) aufbaut. Diese Folie wiederum verschließt ein Loch, das genau in der Mitte einer zweiten Silizium-basierten Polymerschicht (Polydimethylsiloxan) liegt. In diese runde Aussparung fügten die Forscher einen Permanentmagneten ein, aus dessen Oberfläche weiche, pyramidenartige Spitzen herausragen. „Das Ergebnis erinnert zwar eher an ein Stück Frischhaltefolie mit optischen Verzierungen“, scherzt Makarov. „Aber gerade darin liegt eine der Stärken unseres Sensors.“ Denn so bleibt er äußerst flexibel: Er passt sich an alle Umgebungen perfekt an. Selbst unter gekrümmten Bedingungen funktioniert er ohne seine Funktionalität einzubüßen. Der Sensor lässt sich somit ganz einfach zum Beispiel auf der Fingerspitze platzieren.

Wechsel berührungslos zur taktilen Interaktion

Und genau auf diese Weise haben die Wissenschaftler ihre Entwicklung getestet, beschreibt Jin Ge: „Wir haben auf das Blatt eines Gänseblümchens einen Permanentmagneten angebracht, dessen Feld in die entgegengesetzte Richtung zu dem in unserer Plattform eingebauten Magneten zeigt.“ Wenn sich der Finger nun diesem externen Magnetfeld nähert, ändert sich der elektrische Widerstand des GMR-Magnetsensors: er fällt. Bis zu dem Zeitpunkt, an dem der Finger tatsächlich das Blatt berührt. In dem Moment steigt er schlagartig an, da der eingebaute Permanentmagnet näher an den GMR-Sensor gedrückt wird und so das externe Magnetfeld überlagert. „Auf diese Weise kann unsere m-MEMS-Plattform sekundenschnell eindeutig den Wechsel von der berührungslosen zur taktilen Interaktion registrieren“, fasst Jin Ge zusammen.

Dadurch lassen sich mit dem Sensor sowohl physische, als auch virtuelle Objekte gezielt steuern, wie ein Experiment des Teams zeigt: Auf eine Glasplatte, die sie mit einem Permanentmagneten versehen haben, haben die Physiker virtuelle Knöpfe projiziert, die reale Bedingungen, beispilesweise die Raumtemperatur oder die Helligkeit, manipulieren. Durch das Zusammenspiel mit dem Permanentmagneten konnten die Wissenschaftler mit einem hölzernen Finger, auf dem sie die „elektronische Haut“ aufgetragen hatten, zunächst ohne Berührung die gewünschte virtuelle Funktion auswählen. Sobald der Finger die Platte berührte, ist die m-MEMS-Plattform automatisch auf den taktilen Interaktionsmodus umgesprungen. Über leichten oder starken Druck ließ sich im Anschluss beispielsweise die Temperatur im Raum dementsprechend senken oder steigen.

Medizingeräte berührungslos bedienen

Eine Handlung, die bislang mehrere Interaktionen erfordert hätte, konnten die Forscher somit auf eine einzige reduzieren. „Das mag zunächst vielleicht nur wie ein kleiner Schritt klingen“, schätzt Martin Kaltenbrunner ein. „Langfristig lässt sich auf dieser Grundlage jedoch eine bessere Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine aufbauen.“ So könnte die „elektronische Haut“ – neben Räumen der Virtuellen Realität – beispielsweise auch Einsatz in sterilen Umgebungen finden. Chirurgen könnten die Sensoren nutzen, um medizinische Geräte während einer Behandlung berührungslos zu bedienen, was die Gefahr einer Kontamination verringern würde.

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