Gestenerkennung mit Ultraschall

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Die Sprache ist wohl die natürlichste Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine. Bei starken Umgebungsgeräuschen bieten sich jedoch eher „unmenschliche“ Lösungen an.

Am 9. Januar 2007 stellte Apple-Boss Steve Jobs das erste Smartphone mit einem berührungsempfindlichen Bildschirm vor und versetzte damit einer Unzahl von Tastern, Knöpfen und Schaltern den Todesstoß. Dieser Tage scheint die „händische“ Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine jedoch immer häufiger von der Sprache abgelöst zu werden.

Dabei haben beide Bedienkonzepte zumindest eines gemeinsam: Sie sind nicht überall praktikabel. So halten etwa Experten Touchscreens in Fahrzeugen für gefährlicher als Knöpfe, da zum Beispiel das fehlende haptische Feedback die Aufmerksamkeit für den Verkehr verringert. Und die Sprachsteuerung misslingt in einem Cabrio bei offenem Verdeck.

Forscher am Fraunhofer IPMS arbeiten deshalb an sichereren, berührungslosen Ansätzen für die Kommunikation mit Robotern, im OP-Bereich, in Fahrzeugen und in Haushalten. Als Herzstück fungiert dabei ein Mikrochip, der hochfrequente Schallwellen bis 300 kHz erzeugt und empfängt. Werden sie dazwischen etwa von einem Finger reflektiert, läßt sich durch die Messung der Laufzeit und der Phasen- bzw. Frequenzverschiebung nach dem Prinzip des Doppler-Effekts seine Position und Bewegungsrichtung bestimmen.

Bei Gesten über Distanzen bis zu einem halben Meter erreichen die Geräte damit räumliche Auflösungen im Sub-Zentimeter-Bereich. Gegenüber kamerabasierten Verfahren erlauben Ultraschallwandler zudem aufgrund längerer Signallaufzeiten den Aufbau deutlich kostengünstigerer Elektronik- und Softwaresysteme. Außerdem sind sie nicht streulichtempfindlich, und eine zuverlässige Datenerfassung gelingt auch an optisch transparenten Oberflächen. Und nicht zuletzt lassen sich die CMOS-kompatiblen Systeme in großen Stückzahlen kostengünstig herstellen.

Elektrostatisch statt piezoelektrisch

Für die Entwicklung setzen die Forscher auf eine neue Klasse elektrostatischer, mikro-elektromechanischer (MEMS) Biegeaktoren, die seit 2016 zur Erzeugung von Hörschall in Mikrolautsprechern und für Mikropumpen stetig weiterentwickelt wurden. Das Fraunhofer IPMS-eigene, so genannte nano-e-drive-Antriebsprinzip (NED), nutzt die hohen Kräfte elektrostatischer Felder in nanometerkleinen Elektrodenspalten für mechanische Bewegungen mit Auslenkungen im Bereich mehrerer Mikrometer. Dabei dient nicht nur die Chipoberfläche der Schallerzeugung, sondern das komplette Volumen. So lassen sich sehr kleine Bauelemente produzieren, die zu Hunderten auf einem einzigen Wafer Platz finden. Das senkt die Herstellungskosten bei großen Mengen.

Mögliche Anwendungsfelder der ultraschallbasierten, berührungslosen Bewegungserkennung finden sich aus Sicht der Forscher in der Automatisierungs- und Sicherheitstechnik, aber auch in der Medizintechnik, Automobilindustrie oder der Unterhaltungs- und Haushaltselektronik.

 

 

 

Gestensteuerung (Bild: Fraunhofer IPMS)

Bedienungskonzepte mit Ultraschall gelingen auch in lauten Fahrzeuginnenräumen. (Bild: Fraunhofer IPMS).