Weicher Tastsensor mit hautähnlichen Eigenschaften für Roboter

Das Forschungsteam entwickelte einen weichen Tastsensor mit hautähnlichen Eigenschaften. Ein Robotergreifer, bei dem der Sensor an der Fingerspitze montiert ist, könnte anspruchsvolle Aufgaben wie das stabile Greifen zerbrechlicher Objekte und das Einfädeln einer Nadel erfüllen.

Ein Hauptmerkmal der menschlichen Haut ist ihre Fähigkeit, Scherkräfte zu spüren – die Kraft, die zwei Objekte beim Kontakt übereinander rutschen oder rutschen lässt. Durch das Erfassen der Größe, Richtung und der subtilen Änderung der Scherkraft kann die menschliche Haut als Feedback dienen und es uns ermöglichen, anzupassen, wie wir ein Objekt stabil mit unseren Händen und Fingern halten oder wie fest wir es greifen sollten.

Um dieses Merkmal der menschlichen Haut nachzuahmen, ist der weiche Tastsensor in eine mehrschichtige Struktur wie die menschliche Haut integriert und enthält eine flexible und speziell magnetisierte Folie von etwa 0,5 mm Dicke als oberste Schicht. Wenn eine äußere Kraft darauf ausgeübt wird, kann es die Änderung des Magnetfelds aufgrund der Verformung des Films erkennen. Noch wichtiger ist, dass es die externe Kraft automatisch in zwei Komponenten entkoppeln oder zerlegen kann:Normalkraft (die senkrecht auf das Objekt ausgeübte Kraft) und Scherkraft, wodurch die genaue Messung dieser beiden Kräfte bereitgestellt wird.

Darüber hinaus verfügt der Sensor über eine weitere, der menschlichen Haut ähnliche Eigenschaft:die taktile „Superauflösung“, die es ihm ermöglicht, die Position der Reize möglichst genau zu lokalisieren. Ein effizienter taktiler Super-Resolution-Algorithmus nutzt Deep Learning, um eine 60-fache Verbesserung der Lokalisierungsgenauigkeit für die Kontaktposition zu erreichen. Ein solcher taktiler Superauflösungsalgorithmus kann dazu beitragen, die physikalische Auflösung eines taktilen Sensorarrays mit der geringsten Anzahl von Sensoreinheiten zu verbessern, wodurch die Anzahl der Verdrahtungen und die für die Signalübertragung erforderliche Zeit reduziert werden.

Durch die Montage des Sensors an der Fingerspitze eines Robotergreifers zeigte das Team, dass Roboter anspruchsvolle Aufgaben bewältigen können. Der Robotergreifer griff stabil zerbrechliche Objekte wie ein Ei, während eine externe Kraft versuchte, es wegzuziehen, und fädelte per Teleoperation eine Nadel ein. Der Sensor kann leicht in Form von Sensorarrays oder sogar einer durchgehenden elektronischen Haut erweitert werden, die den gesamten Körper des Roboters bedeckt.

Die Empfindlichkeit und der Messbereich des Sensors können durch Ändern der Magnetisierungsrichtung der obersten Schicht (Magnetfolie) des Sensors angepasst werden, ohne die Dicke des Sensors zu ändern. Dadurch kann die E-Skin an verschiedenen Stellen unterschiedliche Empfindlichkeit und Messbereiche aufweisen, genau wie die menschliche Haut. Außerdem hat der Sensor im Vergleich zu anderen taktilen Sensoren einen viel kürzeren Herstellungs- und Kalibrierungsprozess.

Der Sensor könnte für Anwendungen im Bereich der Robotik von Vorteil sein, wie z. B. adaptives Greifen, geschickte Manipulation, Texturerkennung, intelligente Prothetik und Mensch-Roboter-Interaktion.