Wie man im Auto mit flexiblen Silikon-Sensoren Geräte stufenlos steuert
Als Alternative zu Schaltern aus harten Materialien, die nur ein- oder ausgeschaltet werden können, gibt es jetzt flexible Sensoren für eine stufenlose Steuerung. Die Sensoren, die von Fraunhofer-Forschern entwickelt wurden, bestehen aus Silikon und sind vielseitig einsetzbar, zum Beispiel im Autolenkrad.
In einem Multifunktionslenkrad könnten künftig druckempfindliche Silikontaster weitere Funktionen ermöglichen. So können Tempo und Kraft, aber auch Musik, Licht und Lüftung über den Fingerdruck beeinflusst werden.
Foto: Fraunhofer ISC
Das Multifunktionslenkrad ist mittlerweile Standard in vielen Autos. Der Fahrer steuert Tempomat oder Musikanlage, ohne dass er die Hände vom Lenkrad nehmen muss. Die Schalter aus starren Materialien wie hartem Kunststoff oder Metall sind jedoch unflexibel und können oft nur zwischen „Ein“ und „Aus“ beziehungsweise „Weiter“ und „Zurück“ unterscheiden. Das wird sich ändern.
Im Center Smart Materials (SeSMa) am Würzburger Fraunhofer Institut für Silicatforschung ISC beschäftigen sich Ingenieure mit intelligenten Materialien, deren mechanische Eigenschaften sich elektrisch oder magnetisch steuern lassen. Für ihren neuen Drucksensor haben sie weiches Silikon verwendet, das dem Druck des Fingers stufenlos nachgibt. Und dann ließe sich über den ausgeübten Fingerdruck auch das Tempo oder die Kraft steuern.
Die Sensoren können nach Kundenwünschen maßgeschneidert werden
Im Prinzip ist der neue Sensor wie ein elektrischer Kondensator aufgebaut, der aus zwei elektrisch leitenden Platten, den Elektroden und einer dazwischen liegenden Isolierschicht besteht. Schließt man an beide Platten eine elektrische Spannungsquelle an, fließt auf eine Platte negative und auf die andere positive Ladung.
Beim stufenlosen Drucksensor bestehen die beiden Platten aus mehreren Lagen von leitfähigem Silikon mit einer isolierenden Folienschicht dazwischen. Diese Silikonschichten haben ein besonderes Profil, wodurch eine physikalische Eigenschaft des Silikons nutzbar wird. Wird die Silikonfolie in die Länge gezogen, verändert sich die Geometrie, die Fläche vergrößert sich und die Silikonschicht wird dünner. Das führt dazu, dass ihre elektrische Kapazität ansteigt.
Mit diesem druckempfindlichen Handschuh lassen sich Greifkräfte messen. „Wir könnten überwachen, wie stark die Belastungen für Arbeiter sind, die schwere Gegenstände heben müssen“, so Holger Böse vom Würzburger Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC.
Quelle: Fraunhofer ISC
Wie die Druckkraft wirkt, hängt stark davon ab, wie die Profile auf den Folien und wie die Elektroden angebracht werden. Die elektrische Kapazität der Sensoren ist jeweils unterschiedlich. Die Forscher können die Unterschiede nutzen und so das Design der Sensoren individuell an verschiedene Geometrien und Empfindlichkeiten anpassen.
Das Silikon stellen die Wissenschaftler aus industriellen Vorprodukten oder nach eigener Rezeptur her. „Unsere chemische Abteilung kann das Silikon für die Sensoren je nach Kundenwunsch maßschneidern. Je nachdem, welche Eigenschaften gewünscht sind, variieren wir die chemische Zusammensetzung und die technische Form der Sensoren“, sagt Holger Böse, der technisch-wissenschaftliche Leiter des Center Smart Materials.
Neue Sensoren können auch in der Türverkleidung eingebaut werden
Die Möglichkeit der individuellen Anpassung der Drucksensoren an verschiedene Umgebungen klingen vielversprechend. Holger Böse hält die Anwendungsgebiete für „nahezu unendlich groß“. Zum Beispiel könnten Bedienelemente im Auto an unterschiedlichen Stellen im Lenkrad, in der Mittelkonsole, als Fensterheber oder im Sitz verbaut werden. Durch ihre Flexibilität könnten die neuen Schalter nicht nur an Stelle von starren Schaltern eingebaut werden, sondern möglicherweise auch in der Fahrzeugdecke oder in der Türverkleidung.
Auf der diesjährigen Hannover Messe zeigen die Forscher neben anderen Exponaten Demonstratoren des Lenkrads und des Handschuhs (Halle 2, Stand C16/C22). Besucher können auf die Sensoren drücken und auf einem Bildschirm sehen, wie sich dabei die elektrische Kapazität und damit die Druckkraft verändern. Mit dem Lenkrad können sie Musik, Licht und Lüftung beeinflussen, mit dem Handschuh Greifkräfte messen. „Wir könnten überwachen, wie stark die Belastungen für Arbeiter sind, die schwere Gegenstände heben müssen. Integriert man die Sensoren in die Greifwerkzeuge von Robotern, ließe sich feststellen, mit welchem Druck sie zupacken“, sagt Holger Böse.
Die Ingenieure des ISC haben aber noch mehr nützliche Techniken für das Cockpit entwickelt. Im vergangenen Jahr haben sie einen Lkw-Sitz vorgestellt, der sich über sensorbasierte Gestensteuerung individuell einstellen lässt. Damit wollen sie Rückenschmerzen bei Berufskraftfahrern bekämpfen.
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