Antennen zur Informationsübermittlung 23.10.2018, 07:00 Uhr

3D-Objekte: Tracking ohne Elektronik

Ingenieure der University of Washington haben eine Technik entwickelt, mit der Geräte aus dem 3D-Drucker Signale senden können – und das ganz ohne Batterie und aufwendige Elektronik.

Handprothese mit Zahnrad, das bei Bewegung Impulse an die eingebaute Antenne gibt
Ob solch eine mechanische Handprothese korrekt verwendet wird, lässt sich mit eingebauten Antennen und Zahnrad-Schalter am Handgelenk feststellen.

Foto: Mark Stone / University of Washington

Foto: Mark Stone / University of Washington

An dieser grafischen Darstellung lässt sich das Prinzip des 3D-Objekts mit Antenne erkennen: Sender - Antenne - Empfänger

Foto: University of Washington

Waschmittelflasche mit Antenne aus dem 3D-Drucker
Mit dem Prototyp eine Zahnrads aus dem 3D-Drucker sowie eingebauter Antenne sendet dieses Waschmittelflasche Signale.

Foto: Mark Stone/University of Washington

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Mit 3D-Druckern ist es in vielen Fällen möglich, Produktionsprozesse erheblich zu vereinfachen. Dafür ist es wichtig, dass die Nutzer trotz der alternativen Herstellungsweise auf keine wichtige Funktion verzichten müssen. Ein Team aus Wissenschaftlern an der University of Washington hat daher versucht, die Vorteile der sogenannten assistiven Technologien in Geräte zu integrieren, die im 3D-Drucker entstehen. Als assistive Technologien bezeichnet mal Hilfsmittel, die vor allem ältere, kranke und behinderte Menschen unterstützen, um ihnen ein selbstständiges Leben zu ermöglichen. Die Ergebnisse der University of Washington lassen sich auf andere Bereiche wie Warenwirtschaft im Lager oder Logistik übertragen.

Antennen reflektieren Signale

Gerade das Internet der Dinge könnte vielen Menschen in Zukunft das Leben erleichtern, etwa durch Kühlschränke, die selbst online Lebensmittel bestellen. Aber auch einfache Hilfsmittel wie Pillendosen, die melden, wenn sie nicht geöffnet werden, sind eine sinnvolle Unterstützung – falls der Produktionsprozess und die Materialien einen angemessenen Preis ermöglichen. Was wäre also, wenn die Dose eine Rückmeldung geben könnte, obwohl sie im 3D-Drucker entstanden ist? Genau dieser Frage hat sich das Team um Prof. Shyam Gollakota von der Paul G. Allen School für Informatik und Ingenieurwesen an der University of Washington gewidmet.

Begonnen haben die Wissenschaftler mit einem Gerät, das einfache Informationen senden kann. Sie nutzten dafür das Prinzip der Rückstreuung: In dem 3D-Objekt ist eine Antenne enthalten, die aus einem leitfähigen Material besteht, einer Mischung aus Kupfer und Kunststoff. Sendet nun ein WLAN-Router Signale aus, werden sie von der Antenne reflektiert und vom Empfänger des Routers wieder aufgenommen und entschlüsselt. Denn in der Reflektion sind Muster enthalten. Ein einfaches Beispiel: Eine Aktion – Waschseife fließt aus einer Flasche oder ein Hammer wird von einer beschwerten Werkbank entfernt – löst beim 3D-Druckobjekt Zahnräder und Federn aus. Sie verbinden einen leitenden Schalter mit der Antenne, beziehungsweise trennen diese wieder. Dadurch verändern sich die reflektierten Signale der Antenne.

Eine Nachricht wie ein Morsecode

Dieses Prinzip habe die Forscher nun ausgebaut. Denn für das Öffnen und Schließen einer Pillendose müssen zwei verschiedene Bewegungen entschlüsselt werden. In dem neuen 3D-Objekt befinden sich daher zwei Antennen, die jeweils durch den Zahnrad-Schalter kontaktiert werden, abhängig von der Richtung der Bewegung. Allerdings sind beide Antennen identisch, weswegen die Wissenschaftler einen Weg finden mussten, um die reflektierten Signale der beiden Antennen voneinander zu unterscheiden.

Dafür haben sie die Zähne des Rades unterschiedlich gestaltet, sodass eine regelrechte Nachricht entsteht, wenn sie beim Öffnen der Dose nacheinander verwendet werden, vergleichbar mit einem Morsecode. Schließt der Endverbraucher sein Pillendöschen wieder, dreht sich das Rad in die andere Richtung, und die Nachricht landet in umgekehrter Reihenfolge beim Empfänger – woran erkennbar ist, dass die Dose zugedreht wurde.

Viele Anwendungsbereiche möglich

Die Forscher versprechen sich viel von dieser Entwicklung, da alleine im medizinischen Bereich zahlreiche Anwendungsgebiete denkbar wären. Mit dieser Methode ließe sich zum Beispiel kontrollieren, ob Prothesen korrekt verwendet werden. Ein Beispiel sind mechanische Hände, die am Handgelenk befestigt werden und für Kinder mit Handanomalien gedacht sind. Bewegen sie ihr Handgelenk, schließen sich die Finger. Bei einem Prototypen ist es bereits gelungen, diese Bewegung zu überprüfen – durch einen bidirektionalen Sensor am Handgelenkwinkel.

Weitere Einsatzgebiete, auch in anderen Branchen, wären möglich. Schließlich haben die 3D-Objekte einige Vorteile gegenüber Geräten mit herkömmlicher Elektronik. Unter anderem benötigen sie für das Senden der Informationen keine Batterie. Außerdem sind sie unempfindlich gegenüber Feuchtigkeit, was sie zusätzlich für Anwendungen im Bereich der Chemie oder Lebensmittelchemie qualifiziert.

Ein Beitrag von:

  • Nicole Lücke

    Nicole Lücke macht Wissenschaftsjournalismus für Forschungszentren und Hochschulen, berichtet von medizinischen Fachkongressen und betreut Kundenmagazine für Energieversorger. Sie ist Gesellschafterin von Content Qualitäten. Ihre Themen: Energie, Technik, Nachhaltigkeit, Medizin/Medizintechnik.

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