Mensch-Roboter-Kollaboration: Schlangenhaut als Temperatursensor

| |
1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars

Temperaturempfinden ist eine wichtige Funktion unserer Haut. Schlangen spüren damit ihre warmblütige Beute auch im Dunkeln auf. Ein hochempfindlicher, flexibler Sensorfilm könnte diese Eigenschaft jetzt auch für Roboter und Prothesen verfügbar machen.

Ob in Fabrik, Büro oder Küche – Roboter rücken uns zunehmend auf den Leib. Das erhöht die Anforderungen für die „Mensch-Maschine-Schnittstelle“ in Sachen Sicherheit gewaltig. Deswegen hat sich auch die Entwicklung von sensitiven Roboterhäuten zu einem Hot Topic der Robotik-Forschung gemausert. „Kollisionen“ lassen sich schließlich nur vermeiden, wenn man sein Gegenüber „sieht“. Und das möglichst schnell und präzise. Die Methoden dazu reichen von Bildverarbeitung über mechanische Vorrichtungen bis hin zu berührungslosen Sensorlösungen.

So arbeiten etwa an der Technischen Universität München (TUM) Wissenschaftler schon länger an einer künstlichen Haut aus sechseckigen Plättchen mit Infrarot-, Temperatur- und Beschleunigungssensoren. Die Infrarotsensoren registrieren dabei, wenn etwas dem Roboter nahe kommt.

Natürlicher geht es da bei Forschern der ETH Zürich und dem California Institute of Technology (Caltech) zu. Ihr Temperatursensor basiert auf dem Pflanzenmaterial Pektin. Wie das hochsensible Grubenorgan von Schlangen, das warme Körper von Säugetieren noch aus einem Meter Entfernung wahrnimmt, kann er Temperaturen auf ein Hundertstel Grad genau messen. Das ist doppelt so empfindlich wie die menschliche Haut.

„Cyber-Holz“ als Temperatursensor

Seine Entdeckung verdankt das künstliche „Schlangenorgan“ einem Zufall. Es stellte sich nämlich heraus, dass die elektrische Leitfähigkeit in den Zellwänden von Bäumen temperaturabhängig ist. Verantwortlich dafür ist das Pflanzenmaterial Pektin, in der Küche auch als Geliermittel für Puddings oder Konfitüren bekannt.

Messungen an einer Art „Cyber-Holz“ aus Pektin und Kohlenstoff-Nanoröhrchen ergaben, dass sich bei steigenden Temperaturen mehr freie Kalziumionen an den Kontaktstellen zwischen zwei Zuckermolekülen des Pektins bilden. Direkt proportional dazu erhöht sich die elektrische Leitfähigkeit. Die Sensor-Idee war damit geboren, fehlte noch die „Haut“. Für sie sorgte ein 20 Mikrometer dünner Film aus simplem, mit Kalziumlösung versetztem Pektin-Gelee.

Sichere Mensch-Roboter-Kollaboration

Erste Tests ergaben, dass der hauchdünne, durchsichtige und beinahe beliebig verformbare Film von 10 bis 50 Grad Celsius Temperaturen mit einer Genauigkeit von einem Hundertstel Grad messen kann. Als „Beute“ diente zu Testzwecken angeblich ein Teddybär – frisch aus der Mikrowelle.

Um nun wie die menschliche Haut Hitze- und Kältereize räumlich aufzulösen, brachten die Forscher an der Längs- und Querseite einer 25 Quadratzentimeter großen „Haut“ jeweils mehrere Elektroden an. Durch dieses so entstandene Raster ließen sich örtlich begrenzte Temperaturveränderung lokalisieren.

Die „Schlangenhaut“ ist extrem leicht herzustellen und robuster und weniger störanfällig als herkömmliche flexible mit Transistoren bestückte Temperatursensoren. Nach Verbesserungen an den Algorithmen, mit denen die Elektroden-Signale analysiert werden, und an den elektrischen Kontakten soll die „Schlangenhaut“ schon bald für erste Praxistests in der Robotik oder Prothetik zur Verfügung stehen.

 

Mensch-Roboter-Kollaboration: Schlangenhaut als Temperatursensor

Eine hochempfindliche Sensorfolie für Roboter misst Temperaturen auf ein Hundertstel Grad genau. (Bild: Caltech).