Elektronische Haut antizipiert und nimmt zum ersten Mal Berührungen aus verschiedenen Richtungen wahr

Ein Forscherteam aus Chemnitz und Dresden ist bei der Entwicklung sensibler elektronischer Haut (E-Skin) mit integrierten Kunsthaaren einen großen Schritt vorangekommen. E-Skins sind flexible elektronische Systeme, die versuchen, die Empfindlichkeit ihrer natürlichen Gegenstücke auf der menschlichen Haut nachzuahmen. Die Anwendungen reichen von Hautersatz und medizinischen Sensoren am Körper bis hin zu künstlicher Haut für humanoide Roboter und Androiden.

Winzige Oberflächenhaare können die kleinste taktile Empfindung auf der menschlichen Haut wahrnehmen und antizipieren und sogar die Richtung der Berührung erkennen. Moderne elektronische Skinsysteme verfügen nicht über diese Fähigkeit und können diese kritischen Informationen über ihre Umgebung nicht sammeln.

Das Forschungsteam hat einen neuen Weg beschritten, um extrem empfindliche und richtungsabhängige 3D-Magnetfeldsensoren zu entwickeln, die in ein E-Skin-System (aktive Matrix) integriert werden können. Das Team verwendete einen völlig neuen Ansatz für die Miniaturisierung und Integration von 3D-Gerätearrays und machte einen großen Schritt in Richtung Nachahmung der natürlichen Berührung menschlicher Haut. Die Forscher haben ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Christian Becker, Erstautor der Studie, sagte:„Unser Ansatz ermöglicht eine präzise räumliche Anordnung von funktionalen Sensorelementen in 3D, die in einem parallelen Fertigungsprozess in Serie produziert werden können. Solche Sensorsysteme sind mit etablierten mikroelektronischen Herstellungsverfahren äußerst schwierig herzustellen.“

Kernstück des vom Forscherteam vorgestellten Sensorsystems ist ein anisotroper Magnetowiderstandssensor (AMR). Mit einem AMR-Sensor lassen sich Änderungen von Magnetfeldern präzise bestimmen. Sie werden derzeit beispielsweise als Geschwindigkeitssensoren in Autos oder zur Positions- und Winkelbestimmung von beweglichen Komponenten in einer Vielzahl von Maschinen eingesetzt.

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Um das hochkompakte Sensorsystem zu entwickeln, nutzten die Forscher das sogenannte „Mikro-Origami-Verfahren“. Dieser Prozess wird verwendet, um AMR-Sensorkomponenten in dreidimensionale Architekturen zu falten, die das magnetische Vektorfeld in drei Dimensionen auflösen können.

Mikro-Origami ermöglicht es, eine große Anzahl von mikroelektronischen Komponenten auf kleinem Raum unterzubringen und sie in einer Geometrie anzuordnen, die mit herkömmlichen Mikrofabrikationstechnologien nicht erreichbar ist. „Mikro-Origami-Prozesse wurden vor mehr als 20 Jahren entwickelt, und es ist wunderbar zu sehen, wie das volle Potenzial dieser eleganten Technologie jetzt für neuartige mikroelektronische Anwendungen ausgeschöpft werden kann“, sagte Prof. Oliver G. Schmidt.

Das Forschungsteam integrierte das 3D-Mikro-Origami-Magnetsensor-Array in eine einzige aktive Matrix, in der jeder einzelne Sensor bequem von mikroelektronischen Schaltkreisen adressiert und ausgelesen werden kann. „Die Kombination von Aktivmatrix-Magnetsensoren mit selbstorganisierenden Mikro-Origami-Architekturen ist ein völlig neuer Ansatz zur Miniaturisierung und Integration hochauflösender 3D-Sensorsysteme“, sagte Dr. Daniil Karnaushenko, der entscheidend zu Konzept, Design und Entwicklung beigetragen hat Umsetzung des Projekts.

Dem Forschungsteam ist es gelungen, die 3D-Magnetfeldsensoren mit magnetisch verwurzelten feinen Härchen in eine künstliche E-Haut zu integrieren. Die E-Haut besteht aus einem elastomeren Material, in das die Elektronik und Sensoren eingebettet sind – ähnlich einer organischen Haut, die mit Nerven durchzogen ist.

Wenn das Haar berührt und gebogen wird, kann die Bewegung und genaue Position der Magnetwurzel von den darunter liegenden 3D-Magnetsensoren erfasst werden. Die Sensormatrix ist also nicht nur in der Lage, die bloße Bewegung der Haare zu registrieren, sondern bestimmt auch die genaue Bewegungsrichtung. Wie bei echter menschlicher Haut wird jedes Haar auf einer E-Skin zu einer vollwertigen Sensoreinheit, die Veränderungen in der Umgebung wahrnehmen und erkennen kann.

Die magnetomechanische Kopplung zwischen 3D-Magnetsensor und magnetischer Haarwurzel in Echtzeit sorgt für eine neue Art der berührungsempfindlichen Wahrnehmung. Diese Fähigkeit ist von großer Bedeutung, wenn Mensch und Roboter eng zusammenarbeiten. Beispielsweise kann der Roboter Interaktionen mit einem menschlichen Begleiter lange im Voraus mit vielen Details erkennen, kurz bevor ein beabsichtigter Kontakt oder eine unbeabsichtigte Kollision stattfinden wird.