Menschenähnlicher Tastsinn für Roboter

Die Technologie wurde von Forschenden an der University of Cambridge entwickelt und basiert auf Flüssigmetall-Kompositen sowie Graphen, einer zweidimensionalen Form von Kohlenstoff. Die 'Haut' ermöglicht es Robotern nicht nur zu erkennen, wie stark sie auf ein Objekt drücken, sondern auch die Richtung der wirkenden Kräfte zu bestimmen, festzustellen, ob ein Objekt zu rutschen beginnt, und sogar die Rauheit einer Oberfläche wahrzunehmen – in einer Auflösung, die mit der räumlichen Sensibilität menschlicher Fingerspitzen konkurrieren kann. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift 'Nature Materials' veröffentlicht.

Menschliche Finger nutzen mehrere Arten von Mechanorezeptoren, um gleichzeitig Druck, Kraft, Vibration und Textur wahrzunehmen. Dieses Niveau multidimensionaler taktiler Wahrnehmung in künstlichen Systemen nachzubilden, stellt eine große Herausforderung dar, insbesondere bei Geräten, die zugleich klein und robust genug für praktische Anwendungen sein sollen.

„Die meisten vorhandenen taktilen Sensoren sind entweder zu sperrig, zu empfindlich, zu komplex in der Herstellung oder sie können normale und tangentiale Kräfte nicht zuverlässig unterscheiden“, sagte Professor Tawfique Hasan vom Cambridge Graphene Centre, der die Forschung leitete. „Das war bisher ein großes Hindernis für wirklich geschickte robotische Manipulation.“

Um dieses Problem zu lösen, entwickelte das Forschungsteam ein weiches, flexibles Verbundmaterial. Es kombiniert Graphenschichten, verformbare Metallmikrotröpfchen und Nickelpartikel, die in eine Silikonmatrix eingebettet sind. Inspiriert von den Mikrostrukturen menschlicher Haut formten die Forschenden das Material zu winzigen Pyramiden, von denen einige nur etwa 200 µm breit sind. Diese Pyramidenstrukturen konzentrieren mechanische Spannungen an ihren Spitzen, sodass der Sensor extrem kleine Kräfte erkennen kann und gleichzeitig einen großen Messbereich beibehält. Das Ergebnis ist ein taktiler Sensor, der empfindlich genug ist, um ein einzelnes Sandkorn zu erkennen. Im Vergleich zu bestehenden flexiblen taktilen Sensoren verbessert das neue Gerät sowohl die Größe als auch die Nachweisgrenzen um etwa eine Größenordnung.

Der Sensor kann außerdem Scherkräfte von normalem Druck unterscheiden. Dadurch kann er erkennen, wenn ein Objekt zu rutschen beginnt. Durch die Messung der Signale von vier Elektroden unter jeder Pyramide kann der Sensor den vollständigen dreidimensionalen Kraftvektor in Echtzeit mathematisch rekonstruieren.

In Demonstrationen integrierte das Team die Sensoren in robotische Greifer. Die Roboter konnten zerbrechliche Objekte, etwa dünne Papierröhren, greifen, ohne sie zu zerdrücken. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kraftsensoren, die auf Vorinformationen über die Eigenschaften eines Objekts angewiesen sind, passt sich das neue System dank Schlupferkennung in Echtzeit an.

In noch kleineren Maßstäben konnten Arrays aus Mikrosensoren Masse, Geometrie und Materialdichte winziger Metallkugeln bestimmen, indem sie Stärke und Richtung der Kräfte analysierten. Das eröffnet Anwendungsmöglichkeiten in der minimalinvasiven Chirurgie oder in der Mikrorobotik, wo herkömmliche Kraftsensoren viel zu groß sind.

Über die Robotik hinaus könnte die Technologie auch große Auswirkungen auf Prothesen haben. Moderne künstliche Gliedmaßen nutzen zunehmend taktiles Feedback, um Nutzerinnen und Nutzern einen Tastsinn zu vermitteln. Hochsensible, miniaturisierte 3D-Kraftsensoren könnten natürlichere Interaktionen mit Objekten ermöglichen und so Kontrolle, Sicherheit und Vertrauen der Nutzer verbessern.

„Unser Ansatz zeigt, dass sperrige mechanische Strukturen oder komplexe optische Systeme nicht erforderlich sind, um hochauflösende dreidimensionale taktile Sensorik zu erreichen“, sagte Erstautor Dr. Guolin Yun, ehemaliger Royal Society Newton International Fellow in Cambridge und heute Professor an der University of Science and Technology of China. „Durch die Kombination intelligenter Materialien mit von der Haut inspirierten Strukturen erreichen wir eine Leistung, die dem menschlichen Tastsinn erstaunlich nahekommt.“

Für die Zukunft glauben die Forschenden, dass sich die Sensoren noch weiter miniaturisieren lassen – möglicherweise auf unter 50 µm – und damit der Dichte von Mechanorezeptoren in menschlicher Haut annähern könnten. Künftige Versionen könnten außerdem Temperatur- und Feuchtigkeitssensorik integrieren und so einer vollständig multimodalen künstlichen Haut noch näherkommen.

Da Roboter zunehmend die kontrollierten Umgebungen von Fabriken verlassen und in Haushalten, Krankenhäusern und unvorhersehbaren realen Umgebungen eingesetzt werden, könnten Fortschritte im Bereich des Tastsinns transformative Auswirkungen haben und Maschinen ermöglichen, nicht nur zu sehen und zu handeln, sondern tatsächlich zu 'fühlen'.

Eine Patentanmeldung wurde über Cambridge Enterprise, den Innovationsarm der Universität, eingereicht. Die Forschung wurde von der Royal Society, dem Henry Royce Institute und der Advanced Research and Invention Agency (ARIA) unterstützt. Tawfique Hasan ist Fellow des Churchill College in Cambridge.