Forscher entwickeln integrierten Mikrochip für elektronische Haut

| Redakteur: Hendrik Härter

Flexible elektronische Haut mit Magnetsensoren und einer komplexen elektronischen Schaltung, um die Magnetfeldverteilung zu erfassen. Damit haben die Forscher die Grundlage für elektronische Haut gelegt.
Flexible elektronische Haut mit Magnetsensoren und einer komplexen elektronischen Schaltung, um die Magnetfeldverteilung zu erfassen. Damit haben die Forscher die Grundlage für elektronische Haut gelegt. (Bild: Masaya Kondo)

Forscher haben erstmals Magnetsensoren in organische Elektronik integriert. Mit diesem voll-integrierten Bauelement ist die Grundlage für elektronische Haut geschaffen.

Die menschliche Haut hat den Menschen schon seit jeher fasziniert. Dabei ist es vor allem die Tatsache, dass die Oberfläche der Haut nicht nur flexibel ist, sondern auch Reize aus der Umgebung wahrnehmen kann. Genau diese Eigenschaft der menschlichen Haut wollen Wissenschaftler auf künstliche Haut übertragen, um damit nicht nur Roboter, sondern auch Prothesen auszustatten.

Ansätze dazu gibt es einige: So haben Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und der Johannes Kepler Universität Linz einen elektronischen Sensor entwickelt, der Reize berührungslos als auch bei Kontakt übertragen kann. Erst im Oktober 2019 hatte Gordon Cheng vom Lehrstuhl für Kognitive Systeme der TU München den menschengroßen Roboter H-1 mit 1260 künstlichen Hautzellen ausgestattet.

Haut mit Orientierungssinn

Die Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden denken noch weiter: Elektronische Haut könnte sogar zusätzliche Fähigkeiten haben, beispielsweise einen Orientierungssinn im Magnetfeld. Bevor diese Visionen Wirklichkeit werden können, ist viel Entwicklungsarbeit nötig. Die jüngsten Fortschritte in der Entwicklung von flexibler Elektronik und organischen Bauelementen liefern bereits wichtige Voraussetzungen. Es gibt bereits sehr dünne und biegsame Sensoren, die auch auf weichen und elastischen Oberflächen funktionieren, verschiedene physikalische Wechselwirkungen registrieren und über eine Art künstliches Nervensystem weiterleiten können.

Ein Problem für die Wissenschaftler ist die Tatsache, dass sich die Sensoren für eine elektronische Haut bisher noch nicht praktikabel vernetzen und ansteuern lassen. Erste Demonstratoren funktionieren so, dass jeder einzelne Sensor einer flächenhaften Anordnung separat kontaktiert und adressiert werden muss.

Elektronische Komponenten integrieren

Um die nötige Verkabelung zu umgehen, müssen einzelne Magnetsensoren mit weiteren elektronischen Komponenten wie Signalverstärker integriert werden. Dazu haben die Forscher aus Dresden, Chemnitz und Osaka ein neues magnetisches Sensorsystem vorgestellt, das wegweisend für diese Integration ist. Es besteht aus einer Anordnung von zwei mal vier Magnetsensoren, einem organischen Bootstrap-Schieberegister zur Ansteuerung der Sensormatrix und organischen Signalverstärkern.

Das Besondere ist, dass alle elektronischen Komponenten auf organischen Dünnschichttransistoren basieren und in einer einzigen Plattform integriert sind. Die Forscher konnten zeigen, dass das System eine hohe magnetische Empfindlichkeit aufweist und die zweidimensionale Magnetfeldverteilung in Echtzeit abbilden kann. Außerdem ist es sehr robust gegenüber mechanischer Verformung, wie Biegen, Knittern oder Knicken.

Sensoren in organische Schaltkreise integrieren

Neben der vollständigen Systemintegration ist auch die Verwendung von organischen Bootstrap-Schieberegistern ein wichtiger Entwicklungserfolg auf dem Weg zur elektronischen Haut. Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, Direktor am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden und Dr. Daniil Karnaushenko zu den nächsten Schritten: „Unsere ersten integrierten Magnetfunktionen beweisen, dass sich flexible Dünnschichtsensoren in komplexe organische Schaltkreise integrieren lassen. Die Kompatibilität und Flexibilität dieser Geräte ist für moderne und zukünftige Anwendungen wie Soft-Robotics, Implantate und Prothetik unverzichtbar. Der nächste Schritt besteht darin, die Anzahl der Sensoren pro Oberfläche zu erhöhen und die elektronische Haut auf größere Oberflächen auszudehnen.“

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