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10.02.2020 | Elektrotechnik | Im Fokus | Onlineartikel

Elektronische Haut für Roboter

Autor:
Dieter Beste
3:30 Min. Lesedauer

Forscher aus Dresden und Osaka haben jetzt ein vollintegriertes Bauelement aus Magnetsensoren und organischer Elektronik präsentiert. Entwicklungsziel ist eine sensible elektronische Haut etwa für Roboter oder Prothesen.

Mit dem Tastsinn können wir Menschen vielfältige Informationen aus der Umgebung verarbeiten. Das funktioniert, weil unsere Hautoberfläche flexibel und zudem bestens vernetzt ist. Springer-Autor Klaus Mainzer erläutert die neuronale Organisation unserer verschiedenen Wahrnehmungssysteme in "Künstliche Intelligenz – Wann übernehmen die Maschinen?" ab Seite 99. So entspricht etwa beim Tastsinn jedem primären sensorischen Neuron ein abgegrenztes rezeptives Feld auf der Haut, in dem das jeweilige Neuron zum Beispiel durch Druck aktiviert werden kann. 

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Schon lange versuchen Wissenschaftler, die komplexen Eigenschaften der Haut technisch nachzubilden, um zum Beispiel Roboter mit einer sensitiven elektronischen Haut auszustatten. Hintergrund dafür ist auch eine Veränderung des Robotereinsatzes in der Industrie und damit einhergehend veränderte Anforderungen an die Maschine. Die Evolution in der Robotertechnologie habe in den letzten Jahren das Produktionsumfeld stark verändert, konstatieren die Springer-Autoren Uwe Müller und Edwin Lotter in "Industrie 4.0 für die Praxis". So sollen Roboter zukünftig mit Menschen eng zusammenarbeiten können.  Allerdings seien dieser gewünschten Mensch-Roboter-Kooperation sicherheitstechnisch immer noch Grenzen gesetzt. "Herkömmliche Mehr-Achs-Roboter können aufgrund der hohen bewegten Massen einen Menschen ohne weiteres schwer verletzen oder töten. Viele Institute und Forschungseinrichtungen suchen daher nach Möglichkeiten, die Gefährdung in der unmittelbaren Zusammenarbeit von Mensch und Industrieroboter auf ein vertretbares Maß zu reduzieren" (Seite 117).

Ein Lösungsweg aus diesem Dilemma seien neuartige Sicherheitsvorrichtungen wie ein taktiles Sensorsystem zur sicheren Kollisionserkennung, berichten Müller und Lotter. "Nahezu die gesamte Roboteroberfläche wird dazu mit maßgeschneiderten Messaufnehmern ausgestattet, damit Berührungen und Kollisionen erkannt und die Roboterbewegung bei Überschreiten der zulässigen Interaktionskräfte sicher gestoppt werden können." Eine weiche stoßdämpfende Oberfläche wirke dabei als Knautschzone, wodurch die maximal auftretenden Kollisionskräfte effektiv reduziert werden könnten – "allerdings können Greif- oder Prozesswerkzeuge am Roboter bisher kaum mit diesen Messwandlern ausgerüstet werden und bilden so bei schnellen Bewegungen des Roboters nach wie vor ein hohes Risiko der ernsthaften Verletzung für den Mitarbeiter." Gerade in der engen Mensch-Roboter-Kooperation sind diese Ansätze vom sicherheitstechnischen Standpunkt zurzeit noch etwas fragwürdig, beschreiben die Springer-Autoren den aktuellen Entwicklungsstand.

Dieses Vakuum will nun ein Forscherteam des Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden und der japanischen Osaka University mit seiner Entwicklung integrierter Mikrochips für elektronische Haut füllen, über die es in Science Advances berichtet.  Zwar gibt es bereits sehr dünne und biegsame Sensoren, die auch auf weichen und elastischen Oberflächen funktionieren, verschiedene physikalische Wechselwirkungen registrieren und über eine Art künstliches Nervensystem weiterleiten können. Ein großes Hindernis für die Verwirklichung einer funktionierenden elektronischen Haut ist jedoch immer noch die praktikable Vernetzung und Ansteuerung der einzelnen Sensoren. 

Organischen Dünnschichttransistoren in Plattform integriert

Erste Demonstratoren funktionieren so, dass jeder einzelne Sensor einer flächenhaften Anordnung separat kontaktiert und adressiert werden muss. Um die nötige Verkabelung zu umgehen, ist hier der Technologieschritt nötig, der seinerzeit die Schaltkreise zum integrierten Mikrochip gebracht hat, postulieren die Wissenschaftler: die Integration einzelner Magnetsensoren mit weiteren elektronischen Komponenten wie beispielsweise Signalverstärker und die Entwicklung von vollintegrierten Systemen. 

In Science Advances stellen die Autoren aus Dresden, Chemnitz und Osaka jetzt ein neues magnetisches Sensorsystem vor, das wegweisend für diese Integration ist. Es besteht aus einer Anordnung von 2 mal 4 Magnetsensoren, einem organischen Bootstrap-Schieberegister zur Ansteuerung der Sensormatrix und organischen Signalverstärkern. Das Besondere sei zudem, dass alle elektronischen Komponenten auf organischen Dünnschichttransistoren basieren und in einer einzigen Plattform integriert sind. Die Forscher konnten zeigen, dass das System eine hohe magnetische Empfindlichkeit aufweist und außerdem sehr robust gegenüber mechanischer Verformung, wie Biegen, Knittern oder Knicken ist. Neben der vollständigen Systemintegration sei auch die Verwendung von organischen Bootstrap-Schieberegistern ein wichtiger Entwicklungserfolg auf dem Weg zur elektronischen Haut, so die Wissenschaftler. 

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