Bioinspirierter Sensor Zitteraal-Sensorik für Roboterarme

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Inspiriert vom Zitteraal hat eine Forschergruppe einen Sensor gebaut, der Metalle, Kunststoffe, Glas und Holz über Veränderungen in einem elektrischen Feld erkennt. Er wird aktuell getestet für die berührungslose Materialprüfung, Gestensteuerung von Roboterarmen und die Kontrolle von Beschichtungen.

Zitteraale jagen im trüben Wasser des Amazonas. Augen helfen dort wenig. Daher bauen sie rund um ihren Körper ein elektrisches Feld auf, mit dem sie ihre Beute aufspüren. Forscher in China haben jetzt einen Sensor entwickelt, der nach genau diesem Prinzip funktioniert. Roboter könnten damit künftig Objekte erkennen, ohne sie zu berühren, hoffen die Forscher.

Sensor misst berührungslos und in der Dunkelheit

Das Team der Xidian-Universität in Xi'an hat diesen „bioinspirierten elektrostatischen Feldsensor“ Anfang Juli im Fachjournal Advanced Materials beschrieben. Er komme ohne das aktive Aussenden von Signalen und ohne mechanischen Kontakt aus. Auch sei er unabhängig von den Lichtverhältnissen, heißt es in dem Aufsatz. Die Erfindung könnte künftig in einer Vielfalt von Szenarien nützlich sein, schrieb die chinesische Wissenschaftszeitung Keji Ribao. Dazu zählen unter anderem die kontaktlose Materialerkennung an Produktionslinien, die berührungslose Steuerung von Robotern durch Handgesten und die zerstörungsfreie Prüfung von Beschichtungen.

So funktioniert der vom Zitteraal inspirierte Sensor

„Wir bilden das biologische System des Zitteraals nicht vollständig nach. Stattdessen leihen wir uns sein Grundprinzip, ein elektrisches Feld aufzubauen, Störungen wahrzunehmen und daraus Informationen zu gewinnen“, zitiert die Zeitung den Teamleiter Zhang Weiqiang von der Fakultät für Luft- und Raumfahrttechnik der Xidian-Universität.

Das Herzstück des Sensors ist ein Fluorpolymer-Elektret, das die Forscher mit einer Methode namens Korona-Polarisation aufgeladen haben. Ein Elektret kann eine elektrische Ladung dauerhaft speichern, ähnlich wie ein Permanentmagnet ein Magnetfeld. Die Wissenschaftszeitung vergleicht es mit einer winzigen „elektrostatischen Batterie“.

„Einmal aufgeladen, kann es seine elektrische Ladung über lange Zeit halten und ein relativ stabiles quasistatisches elektrisches Feld um den Sensor herum bilden. Man kann es sich wie ein unsichtbares Spinnennetz aus elektrischem Feld vorstellen, das den Sensor umgibt“, erklärte Zhang einem Reporter der Zeitung.

„Wenn sich ein Objekt nähert, registriert der Sensor die Veränderungen im Feld, und aus diesen Veränderungen kann er die elektrische Leitfähigkeit, die dielektrischen Eigenschaften und die geometrische Form des Objekts ableiten“, zitierte die South China Morning Post in Hongkong den Wissenschaftler.

Ob Metall, Kunststoff, Glas oder eine menschliche Hand, jedes Objekt verändert die lokale Verteilung des Feldes auf seine eigene Weise. Das gleicht einem Stein, der ins Wasser fällt und dabei ganz individuelle Wellen schlägt. An einer geerdeten Rückelektrode des Sensors entsteht so ein messbares Potenzialsignal.

„Eine Positionsänderung von 50 Mikrometern kann eine Spannungsänderung von etwa einem Volt erzeugen“, sagte Zhang. Das entspricht etwa dem halben Durchmesser eines menschlichen Haares. Das Signal des Sensors bleibe auch nach 10.000 Messzyklen stabil, heißt es in dem Aufsatz in Advanced Materials.

Sensor reagiert auf Metalle, Polymere, Holz und Glas

„Verschiedene Materialien stören das elektrische Feld auf unterschiedliche Weise, so wie jeder Mensch einen anderen Fingerabdruck hat“, sagte der Teamleiter. Induktive Sensoren sprechen vor allem auf Metall an. Optische Verfahren hängen vom Reflexionsverhalten der Oberfläche ab. Der neuartige Aalsensor reagiert dagegen auf Metalle, Polymere, Glas und Holz. In der automatisierten Sortierung von Recyclingmaterial oder auf einer Fertigungslinie könnte eine Maschine damit das Material eines Objekts bestimmen, ohne dass ein physischer Kontakt nötig wäre. Zwei Teile, die in Farbe und Aussehen gleich sind, kann der Sensor kontaktlos unterscheiden, sofern sie aus verschiedenen Werkstoffen bestehen.

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Experimente: Roboterarm über Gesten steuern

Für die Steuerung von Robotern in gefährlichen Umgebungen ist eine andere Eigenschaft des Sensors interessant. Bewegt sich eine Hand im Wahrnehmungsfeld, folgt jede Geste einer anderen Bahn. Sie hinterlässt dann auch eine ganz eigene Störungswelle. Das Team hat diese Signale gesammelt, ein neuronales Netz darauf trainiert und mit der Steuerung eines Roboterarms experimentiert. Im Labor zumindest funktionierte der geschlossene Kreis aus Gesteneingabe, Signalerkennung und Ausführung. Bis zu einer möglichen Anwendung in der Praxis sei es allerdings noch ein weiter Weg, hieß es auch.

Potenzielle Anwendungen für Gestensteuerung 

In der Zukunft aber sind viele spannende Anwendungen denkbar. „Ein Bediener muss keinerlei Ausrüstung tragen. Er muss nur einfache Wisch-, Tipp- oder Greifgesten vor dem Sensor ausführen, und der Roboterarm führt die entsprechende Aktion präzise aus“, sagte Zhang. Ein Arbeiter könnte so mit einer Handbewegung in der Luft einen Roboterarm anweisen, ein Objekt zu greifen und zu bewegen. Wertvoll sei so etwas in medizinischen Isolierbereichen, an gefährlichen Arbeitsplätzen oder in Hilfsgeräten für Menschen mit Behinderungen, schreibt die Keji Ribao.