Foto: P. Makushko / HZDR
Ein Team vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf hat eine neue Generation elektronischer Haut vorgestellt. Die innovative E-Skin erkennt Magnetfelder mit nur einem globalen Sensor, spart Energie und ahmt die Funktionsweise menschlicher Haut nach. Dank einer hauchdünnen, atmungsaktiven Membran lassen sich Anwendungen in virtueller Realität, Robotik oder auch unter Wasser realisieren. Statt vieler Sensoren kommt eine einzige Ausleseeinheit zum Einsatz – ähnlich wie das Gehirn bei Berührungen reagiert. Die Technologie eröffnet neue Wege der Mensch-Maschine-Interaktion.
Vom Roboter-Finger zur Mensch-Maschine-Schnittstelle
Die Idee, Maschinen das Fühlen beizubringen, ist nicht neu. Seit Jahren arbeiten Forschende daran, Roboter mit künstlicher Haut auszustatten. Diese sogenannten „Electronic Skins“ – kurz E-Skins – ahmen die Eigenschaften menschlicher Haut nach. Sie sollen nicht nur Berührungen erkennen, sondern auch Temperatur oder chemische Reaktionen wahrnehmen.
Doch bislang war diese Technik häufig sperrig. Komplexe Elektronik, viele Sensoren und hohe Energiebedarfe machten die Integration schwierig – besonders in flexiblen, tragbaren Anwendungen. Die neue Entwicklung vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) verspricht nun Abhilfe.
Ein globaler Sensor ersetzt viele einzelne
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des HZDR haben eine elektronische Haut entwickelt, die magnetische Felder erkennen kann – mit nur einem einzigen Sensorfeld. Dieses ist so dünn und leicht, dass es auf einer Membran sitzt, die nur wenige tausendstel Millimeter misst. Gleichzeitig ist sie perforiert, also mit kleinen Löchern versehen. So bleibt die Haut luft- und feuchtigkeitsdurchlässig und lässt die darunterliegende menschliche Haut weiter „atmen“.
Bisherige E-Skins arbeiten meist mit vielen Sensorpunkten, die jeweils eigene Transistoren benötigen. „Unsere Idee war, ein System zu entwickeln, das energieeffizienter ist und besser zum Menschen und zur weichen menschlichen Haut passt“, erklärt Denys Makarov vom Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR.
Die Funktionsweise: Wie echte Haut – aber digital
Im Zentrum der neuen E-Skin steht eine magnetosensitive Funktionsschicht. Diese Schicht reagiert auf Magnetfelder. Sie verändert ihren elektrischen Widerstand, je nachdem, wie stark das Magnetfeld an einer bestimmten Stelle ist. Eine zentrale Ausleseeinheit – vergleichbar mit dem menschlichen Gehirn – analysiert diese Veränderungen. So lässt sich exakt bestimmen, wo das Magnetfeld auftritt.
„Bei echter Haut spielt es keine Rolle, wo ich sie berühre: Das Signal gelangt über die Nerven ins Gehirn, wird dort verarbeitet und das Gehirn erkennt den Berührungspunkt“, beschreibt Pavlo Makushko, Doktorand am HZDR und Erstautor der Veröffentlichung. Genau dieses Prinzip wird nun auf künstliche Haut übertragen – mit nur einem einzigen Sensorfeld statt vieler Einzelpunkte.
Tomographie als Schlüssel
Möglich wird dieses Verfahren durch ein Prinzip, das aus der medizinischen Bildgebung bekannt ist: die Tomographie. Dabei werden aus mehreren Messwerten Informationen über die Lage eines Signals im Inneren eines Körpers gewonnen – etwa bei der Magnetresonanztomographie (MRT) oder Computertomographie (CT).
Auf E-Skins angewandt, bedeutet das: Aus verschiedenen Widerstandsmessungen an der Sensorfläche berechnet die Ausleseeinheit, wo das Magnetfeld wirkt. Dass diese Technik nun auch bei sehr schwachen Signalen funktioniert, ist laut Makushko ein wichtiger Fortschritt: „Dass es uns gelungen ist, diese Methode experimentell zu bestätigen, ist ein bedeutender technischer Erfolg unserer Arbeit.“
Einsatzmöglichkeiten: Unter Wasser, in der Luft und in der virtuellen Realität
Die Anwendungsfelder für diese neue Art von E-Skin sind vielfältig. Ein Beispiel: das Smartphone-Display unter Wasser. Normale Touchscreens versagen dort oft. Mit einem magnetischen Stift – oder einem Magnetpad im Handschuh – könnte das Display dennoch bedient werden, selbst bei Kälte oder Nässe.
Auch für Virtual-Reality-Anwendungen bieten sich neue Möglichkeiten. Mithilfe der E-Skin könnten Gesten erkannt werden, ohne dass physische Berührungen nötig sind. In solchen Umgebungen ist oft nicht der Mensch, sondern die Maschine mit der Haut ausgestattet – zum Beispiel ein Roboterarm, der in einer virtuellen Fabrik arbeitet.
In der Industrie wiederum könnten Magnetpfade in Maschinen eingebaut werden, um Positionen kontaktlos und störungsfrei zu erfassen. Gerade in lauten oder vibrationsreichen Umgebungen ist das ein Vorteil gegenüber klassischen Sensoren.
Robust und störsicher
Ein weiterer Pluspunkt laut Forschungsteam: Magnetfeldsensoren reagieren weniger empfindlich auf äußere Einflüsse. Während optische oder kapazitive Sensoren durch Licht, Feuchtigkeit oder elektromagnetische Störungen beeinträchtigt werden können, bleiben magnetische Systeme stabil. So könnten etwa Bedienoberflächen in Fahrzeugen auch bei extremen Bedingungen zuverlässig arbeiten.
Auch in der Medizin könnten Anwendungen entstehen – etwa bei Prothesen, die durch Magnetimpulse gesteuert werden. Die dünne, transparente E-Skin lässt sich unauffällig integrieren und wäre damit ein Baustein für tragbare Technologien der nächsten Generation.
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