Faszination Technik Mehr Fingerspitzengefühl für Roboter

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie eine sensible künstliche Haut Robotern einen fast menschlichen Tastsinn verleiht. 

Roboter werden in Bezug auf Sehvermögen und Bewegung immer leistungsfähiger, doch der Tastsinn bleibt eine ihrer größten Schwächen. Nun haben Forschende der University of Cambridge einen Miniatur-Tastsensor entwickelt, der Robotern einen Tastsinn verleihen könnte, der dem menschlichen Tastsinn viel näher kommt.

Fast wie bei menschlichen Fingerspitzen

Menschliche Finger nutzen mehrere Arten von Mechanorezeptoren, um Druck, Kraft, Vibration und Textur gleichzeitig wahrzunehmen. Die Reproduktion dieser multidimensionalen taktilen Wahrnehmung in künstlichen Systemen ist eine große Herausforderung, insbesondere bei Komponenten, die sowohl klein als auch robust genug für den praktischen Einsatz sind.

Die jetzt entwickelte Technologie basiert auf Flüssigmetall-Verbundwerkstoffen und Graphen – einer zweidimensionalen Form von Kohlenstoff. Die „Haut“ ermöglicht es Robotern, nicht nur zu erkennen, wie stark sie auf ein Objekt drücken, sondern auch die Richtung der ausgeübten Kräfte, ob ein Objekt rutscht und sogar wie rau eine Oberfläche ist – und zwar in einem Maßstab, der klein genug ist, um mit der räumlichen Auflösung menschlicher Fingerspitzen zu konkurrieren.  

„Die meisten vorhandenen taktilen Sensoren sind entweder zu sperrig, zu empfindlich, zu komplex in der Herstellung oder nicht in der Lage, zwischen normalen und tangentialen Kräften genau zu unterscheiden. Dies war bisher ein großes Hindernis für die Entwicklung wirklich geschickter Robotermanipulationen.

Professor Tawfique Hasan, Cambridge Graphene Centre

Winzige Pyramiden – inspiriert von menschlicher Haut

Um dieses Problem zu lösen, entwickelte das Forschungsteam ein weiches, flexibles Verbundmaterial, das Graphenblätter, verformbare Metallmikrotropfen und Nickelpartikel in einer Silikonmatrix kombiniert. Inspiriert von den Mikrostrukturen der menschlichen Haut formten die Forscher das Material zu winzigen Pyramiden, von denen einige nur 200 Mikrometer breit sind. Diese Pyramidenstrukturen konzentrieren die Belastung an ihren Spitzen, sodass der Sensor extrem kleine Kräfte erkennen kann und gleichzeitig einen großen Messbereich abdeckt.  

Taktiler Sensor erkennt Sandkorn

Das Ergebnis ist ein taktiler Sensor, der empfindlich genug ist, um ein Sandkorn zu erkennen. Im Vergleich zu bestehenden flexiblen taktilen Sensoren verbessert das neue Gerät die Größe und die Erkennungsgrenzen den Forschenden zufolge um etwa eine Größenordnung.
Der Sensor unterscheidet auch Scherkräfte von senkrechtem Druck, wodurch er erkennen kann, wenn ein Objekt zu rutschen beginnt, sodass der Greifer nachjustieren kann.

In Demonstrationen integrierte das Team die Sensoren in Robotergreifer. Die Roboter waren in der Lage, zerbrechliche Objekte wie dünne Papierröhren zu greifen, ohne sie zu zerdrücken.

Multimodale künstliche Haut möglich

Über die Robotik hinaus könnte diese Technologie auch erhebliche Auswirkungen auf die Prothetik haben. Künstliche Gliedmaßen sind zunehmend auf taktiles Feedback angewiesen, um den Benutzern ein Gefühl für Berührungen zu vermitteln. Hochempfindliche, miniaturisierte 3D-Kraftsensoren könnten eine natürlichere Interaktion mit Objekten ermöglichen und so die Kontrolle, Sicherheit und das Vertrauen der Benutzer verbessern.

Mit Blick auf die Zukunft glauben die Forscher, dass die Sensoren noch weiter miniaturisiert werden könnten, möglicherweise auf unter 50 Mikrometer, was der Dichte der Mechanorezeptoren in der menschlichen Haut nahekommt. Zukünftige Versionen könnten auch Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren integrieren und sich damit einer vollständig multimodalen künstlichen Haut annähern.