Eine elektronische Haut, um Robotern den Tastsinn zu verleihen 👌

Inspiriert vom menschlichen Tastsinn haben Youcan Yan, CNRS-Postdoktorand am Labor für Informatik, Robotik und Mikroelektronik in Montpellier (LIRMM – CNRS/Universität Montpellier), und Abderrahmane Kheddar, CNRS-Forschungsleiter am LIRMM, eine neue elektronische Haut entwickelt, die Robotern ermöglicht, Kräfte in drei Dimensionen zu erfassen. Dieses einzigartige Gerät ist einfach herzustellen und zu kalibrieren, was den Weg für intelligentere und sicherere Roboter in medizinischen Anwendungen ebnet.


Im Alltag der Menschen wird der Tastsinn ständig genutzt, um mit der Welt zu interagieren. Für Roboter hingegen war die Wahrnehmung von Kräften lange ein Hindernis. Tatsächlich erfordern sensorische Sensoren meist komplexe Designs und eine aufwändige Kalibrierung, was ihre Anwendung einschränkt.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, hat sich ein Wissenschaftsteam des LIRMM von natürlichen Mechanismen inspirieren lassen. Basierend auf den Eigenschaften der menschlichen Haut und dem Prinzip der Selbstentkopplung des Halbach-Arrays entwickelten sie nach zweijähriger Forschung einen flexiblen magnetischen Sensor, der Kräfte in drei Dimensionen unterscheiden kann. Diese Arbeit wurde von der Schlüsselinitiative "Humanzentrierte Robotik" der Region Okzitanien und des CNRS unterstützt.

Der Sensoraufbau ist einfach und besteht aus drei Schichten. Die erste Schicht besteht aus einem flexiblen Magnetfilm, der sich bei Berührung verformt und so eine Veränderung des Magnetfelds bewirkt. Eine mittlere Elastomerschicht dient als Polster, während die letzte Schicht mit einer Leiterplatte und Halleffekt-Sensoren ausgestattet ist, die die Magnetfeldänderungen erfassen. Diese Konfiguration ermöglicht es dem Sensor, normale (senkrechte) und Scherkräfte (parallele) unabhängig voneinander zu messen.

Ihr in Nature Machine Intelligence veröffentlichter Artikel[/i] präsentiert mehrere Demonstrationen dieser patentierten Technologie. Durch die Integration des Sensors in ein künstliches Kniegelenk konnten die Wissenschaftler kontrollieren, wie Kräfte während der Bewegung verteilt werden – ein Ergebnis, das Klinikern helfen wird, Gelenkprobleme besser zu verstehen und zu behandeln. In einem weiteren Experiment wurde der Sensor verwendet, um einen Roboter bei der Kaffeezubereitung anzuleiten. Durch leichten Druck und Gleitbewegungen auf dem Sensor kann der Roboter eine Bewegungsfolge lernen und autonom ausführen, vom Schließen der Greifer bis zum Eingießen des Wassers und Rühren. Die Empfindlichkeit des Sensors ermöglicht es dem Roboter auch, noch zerbrechlichere Objekte wie ein Ei zu halten, ohne sie zu beschädigen.


Die Auswirkungen dieser Entwicklungen sind beträchtlich. In der Robotik könnte die Integration solcher Sensoren zu reaktionsschnelleren und anpassungsfähigeren Maschinen führen, die komplexe Aufgaben mit menschlicher Präzision ausführen können. Im Gesundheitsbereich könnten intelligente Prothesen oder Kniebandagen von einer Echtzeit-Kraftrückmeldung profitieren, die Sicherheit und Funktionalität vereint. Darüber hinaus erleichtern die einfache Herstellung und Kalibrierung des Sensors seine Anwendung im Alltag, wodurch fortgeschrittene Tasterkennung auch außerhalb von Laboren zugänglich wird.

In Zukunft plant das LIRMM-Team, den Sensor durch Materialoptimierung zu verfeinern und in anspruchsvollere Systeme, einschließlich humanoider Roboter, zu integrieren. Diese Innovation verspricht, die Lücke zwischen menschlicher Geschicklichkeit und robotischer Präzision zu schließen und so die Art und Weise zu verändern, wie Maschinen mit ihrer Umgebung interagieren.

Weitere Informationen:
Yan, Y., Zermane, A., Pan, J. et al. A soft skin with self-decoupled three-axis force-sensing taxels. Nat Mach Intell 6, 1284–1295 (2024). https://doi.org/10.1038/s42256-024-00904-9