Kombisensoren für Licht, Hitze und Touch

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Robotiker und Mediziner arbeiten schon länger daran, Funktionen der menschlichen Haut elektronisch abzubilden. Neue Sensoren, die unter anderem warme von kalten Berührungen unterscheiden können, dürften die Aufgabe zukünftig etwas einfacher gestalten.

Nicht zu dick auftragen sollen sie und flexibel sein – die zukünftigen elektronischen Häute auf Prothesen und Robotern. Nicht so einfach, müssen sie doch eine ganze Reihe verschiedenartigster Sensoren beherbergen. Außergewöhliche Multitalente von der Universität Linköping in Schweden könnten sich da als platzsparende Lösung anbieten. Ihre künstlichen Hautrezeptoren unterscheiden nämlich wie die aus Fleisch und Blut zwischen der Körpertemperatur und der Wärme durch Sonneneinstrahlung, aber auch zwischen der Berührung eines warmen Fingers und der eines kalten Gegenstandes. Grund dafür sind spezielle Materialkombinationen und mehrere physikalische Phänomene.

Die Physik der Kombisensoren

So reagieren etwa beim pyroelektrischen Effekt bestimmte piezoelektrische Kristalle schon auf kleinste Temperaturänderungen mit einer Ladungstrennung auf der Ober­fläche. Das Ergebnis: Ein elektrisches Signal. Diese Eigenschaft machen sich zum Beispiel Infrarot- (Bewegungsmelder, Feuermelder), Mikrowellendetektoren, Temperaturfühler und Kalorimeter zu Nutze.

Das zweite grundlegende Prinzip ist die thermoelektrische Stromerzeugung durch den sogenannten Seebeck-Effekt. Dazu genügen zwei elektrische Leiter, die sich in ihrer elektronischen Wärmekapazität (Seebeck-Koeffizienten) unterscheiden. Ihre Elektronen besitzen deshalb trotz gleicher Temperatur unterschiedliche Bewegungsenergien. Bringt man sie miteinander in Kontakt, entsteht ein Strom höherenergetischer Elektronen in Richtung des Leiters mit den niederenergetischen Elektronen.

Thermoelemente aus Metallen wandeln Wärme jedoch nur sehr ineffizient in elektrische Energie um. Sie werden daher nur zur Temperaturmessung eingesetzt. Eine Verbesserung bringen Halbleitermaterialien und neuerdings auch elektrisch leitfähige Polymere.

Pyroelektrik, Thermoelektrik und Plasmonen

Um von beiden physikalischen Prinzipien zu profitieren, kombinierten die Wissenschaftler aus Schweden für ihre Kombisensoren nun erstmals ein pyroelektrisches Polymer mit einem thermoelektrischen Gel. Und damit nicht genug: Nanopartikel aus Gold sorgen auf dem Sensor bei einfallendem Licht für ein zusätzliches elektrisches Signal durch die kollektive Anregungen von freien Elektronen zu Schwingungen (Plasmonen).

Und da pyroelektrische Polymere ebenso piezoelektrische Eigenschaften besitzen, reagiert der Sensor auch auf „kalten“ Druck. Das spielt zwar eine deutlich untergeordnete Rolle, kann aber für bestimmte Anwendungen wichtig sein. Schließlich sollen zukünftige Roboter zwischen einem Kontakt mit Menschen oder mit Gegenständen unterscheiden können.

 

 

 

 

 

 

 

 

Kombisensoren (Foto: Thor Balkhed).

Sensor-Multitalente für elektronische Roboterhäute (Foto: Thor Balkhed).