Roboter „nehmen“ Berührungen über einen farbwechselnden Tastsensor wahr

Ein Roboter berührt eine Münze und erfasst dabei deren feine Details. Bildquelle: Queen Mary University of London

Ingenieure der Queen Mary University of London haben einen neuen, farbwechselnden taktilen Sensor entwickelt, der es Robotern ermöglicht, in Echtzeit zu „sehen“ und Berührungen zu spüren. Das Konzept wurde von Giacomo Sasso, einem Postdoktoranden an der School of Engineering and Materials Science, entwickelt und wandelt unsichtbare Kräfte in dynamische Farbmuster um. Dadurch lassen sich sofort hochauflösende Karten von Kontakt, Dehnung und Druck darstellen.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlicht.

Wird Druck auf eine weiche Sensoroberfläche ausgeübt, erzeugt das Material räumlich variierende Strukturfarben, die eine Standardkamera sofort erfassen kann, wodurch komplexe Rekonstruktionsalgorithmen überflüssig werden.

Von der Fertigung bis zur Chirurgie

Diese Technologie ermöglicht es einem Robotergreifer, mikroskalige Bauteile mit der in der Fertigung erforderlichen Präzision zusammenzusetzen, wobei jede noch so subtile Kraftänderung in Echtzeit sichtbar wird. Auch im Gesundheitswesen birgt sie Potenzial: Eine externe Prothese könnte bei feinfühligen alltäglichen oder klinischen Aufgaben ein ausgeprägteres Tastgefühl entwickeln.

Gleichzeitig könnten chirurgische Systeme gesundes von krankem Gewebe unterscheiden, indem sie feine Drucksignaturen direkt anhand der Farbreaktion des Materials auslesen.

In das Material integrierte Sensorik

Im Gegensatz zu herkömmlichen taktilen Sensoren bettet dieses neue System die Sensorik direkt in das Material selbst ein. Mechanische Wechselwirkungen werden in Farbfelder umgewandelt, die eine kostengünstige USB-Kamera in Echtzeit erfassen kann. Die Forschungsarbeit hat bereits Ergebnisse hervorgebracht, die die erste Echtzeitlösung in diesem Bereich demonstrieren.

„Man würde nicht vermuten, wie viele Informationen entstehen, wenn man mit dem Finger einen Lichtschalter betätigt. Eine menschliche Hand verfügt über mehr als 10.000 Mechanorezeptoren, um diese Aufgabe zu bewältigen, dennoch bleibt die Tastsensorik eine der größten Herausforderungen in der Robotik“, sagte Sasso.

„Wir waren erfreut, die Fingerrillen erfassen zu können, da keine bestehende Technologie eine solche Sensordichte in vergleichbarem Maßstab und mit vergleichbarer Einfachheit reproduzieren kann. Die Kernidee hinter diesem Projekt war es, über den Tellerrand hinauszuschauen: Anstatt dichte und überdimensionierte Sensorarrays einzubetten, wird die Erfassung in das Material selbst verlagert, wo mechanische Signale direkt in Farbfelder umgewandelt und mit einer einfachen, kostengünstigen USB-Kamera erfasst werden.“ Dies liefert detaillierte Druckverteilungskarten und vereinfacht gleichzeitig die Systemarchitektur.

Mitautoren der Universität Florenz, der Universität Triest und der Universität Trient in Italien sind sich einig: „Besonders beeindruckend ist, dass die Informationen bereits im Lichtsignal enthalten sind. Man rekonstruiert die Berührung nicht mehr – man beobachtet sie direkt“, sagte Professor James Busfield.

Lösung eines seit langem bestehenden Kompromisses

Die Idee entstand aus der Notwendigkeit, einen hartnäckigen Zielkonflikt bei der bildbasierten taktilen Wahrnehmung zu überwinden: Hochauflösende Systeme erfordern in der Regel rechenintensive Verarbeitungsprozesse zur Rekonstruktion der Kontaktgeometrie, was zu Verzögerungen führt, während schnellere Systeme oft auf räumliche Details verzichten müssen.

Die Zusammenarbeit zwischen Professor Federico Carpi von der Universität Florenz und Busfield verbindet die Forschungswelten der Soft-Robotik und der Materialwissenschaften. Aufbauend auf jahrelanger Arbeit an dehnbaren Sensoren und der Charakterisierung von Polymeren hat das Team die Fähigkeit, mechanische Nachgiebigkeit mit funktionaler Sensorik zu verbinden, schrittweise weiterentwickelt.

In diesem Rahmen stellen mechanochrome Materialien eine neue Richtung dar: Anstatt sich auf hochentwickelte Mikroelektronik zur Interpretation von Verformungen (Taxels) zu verlassen, wird das Material selbst zum Sensor, der mechanische Wechselwirkungen direkt in sichtbare optische Signale umwandelt.