Neues E-Skin mit künstlichen Haaren detektiert und antizipiert multidirektionale Berührung

Ein Forschungsteam aus Chemnitz und Dresden hat einen großen Schritt in der Entwicklung empfindlicher elektronischer Haut (E-Skin) mit integrierten künstlichen Haaren gemacht. E-Skins sind flexible elektronische Systeme, die versuchen, die Empfindlichkeit ihrer natürlichen menschlichen Haut-Pendants nachzuahmen. Anwendungen reichen von Hautersatz und medizinischen Sensoren am Körper bis hin zu künstlicher Haut für humanoide Roboter und Androiden.

Winzige Oberflächenhaare können die geringste taktile Empfindung auf menschlicher Haut wahrnehmen und antizipieren und sogar die Richtung der Berührung erkennen. Moderne elektronische Hautsysteme fehlt diese Fähigkeit und sie können diese kritischen Informationen über ihre Umgebung nicht sammeln.

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

Christian Becker, Erstautor der Studie, sagte: „Unser Ansatz ermöglicht eine präzise räumliche Anordnung funktionaler Sensorelemente in 3D, die in einem parallelen Fertigungsprozess massenproduziert werden können. Solche Sensorsysteme sind mit etablierten mikrolektronischen Fertigungsmethoden extrem schwierig zu erzeugen.“

Der Kern des vom Forschungsteam vorgestellten Sensorsystems ist ein anisotroper Magnetowiderstandssensor (AMR). Ein AMR-Sensor kann verwendet werden, um Änderungen in Magnetfeldern präzise zu bestimmen. Sie werden derzeit beispielsweise als Geschwindigkeitssensoren in Autos oder zur Bestimmung der Position und des Winkels bewegter Komponenten in einer Vielzahl von Maschinen eingesetzt.

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

Micro-Origami ermöglicht es, eine große Anzahl mikrolektronischer Komponenten in einem kleinen Raum unterzubringen und sie in einer Geometrie anzuordnen, die mit keiner konventionellen Mikrofertigungstechnologie erreichbar ist. „Micro-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 mikrolektronische Anwendungen genutzt werden kann“, sagte Prof. Oliver G. Schmidt.

Das Forschungsteam integrierte das 3D-Micro-Origami-Magnetensorsensor-Array in eine einzelne aktive Matrix, in der jeder einzelne Sensor bequem durch mikrolektronische Schaltkreise adressiert und ausgelesen werden kann. „Die Kombination von Active-Matrix-Magnetensorsensoren mit selbstassemblierenden Micro-Origami-Architekturen ist ein völlig neuer Ansatz zur Miniaturisierung und Integration hochauflösender 3D-Sensorsysteme“, sagte Dr. Daniil Karnaushenko, der entscheidend zum Konzept, Design und der Implementierung des Projekts beigetragen hat.

Das Forschungsteam hat es geschafft, die 3D-Magnetfeldsensoren mit magnetisch verankerten feinen Haaren in eine künstliche E-Skin zu integrieren. Die E-Skin besteht aus einem elastomeren Material, in das die Elektronik und Sensoren eingebettet sind – ähnlich wie organische Haut, die mit Nerven durchzogen ist.

Wenn das Haar berührt wird und sich biegt, können die Bewegung und die genaue Position der magnetischen Wurzel von den darunterliegenden 3D-Magnetensorsensoren detektiert werden. Die Sensormatrix ist daher nicht nur in der Lage, die bloße Bewegung des Haares zu registrieren, sondern bestimmt auch die genaue Richtung der Bewegung. Wie bei echter menschlicher Haut wird jedes Haar auf einer E-Skin zu einer vollständigen Sensoreinheit, die Veränderungen in der Umgebung wahrnehmen und detektieren kann.

Die magneto-mechanische Kopplung zwischen 3D-Magnetensorsensor und magnetischer Haarwurzel in Echtzeit bietet eine neue Art der berührungsempfindlichen Wahrnehmung. Diese Fähigkeit ist von großer Bedeutung, wenn Menschen und Roboter eng zusammenarbeiten. Zum Beispiel kann der Roboter Interaktionen mit einem menschlichen Begleiter weit im Voraus mit vielen Details wahrnehmen, kurz bevor ein beabsichtigter Kontakt oder eine ungewollte Kollision stattfinden wird.