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Künstliche Haut Verbesserte Wahrnehmung dank 3D-Magnetsensoren

Mit speziellen Magnetsensoren kann die Elektronik in künstlicher Haut (E-Skin) Berührungen aus verschiedenen Richtungen wahrnehmen. Damit funktioniert die elektronische Haut ähnlich wie organische Haut, die über Härchen kleinste Berührungen auf dem Arm zu spüren.

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Künstliche elektronische Haut (E-Skin): Hochintegrierte flexible mikroelektronische 3D-Sensorik nimmt Bewegung von Härchen auf künstlicher Haut wahr.
Künstliche elektronische Haut (E-Skin): Hochintegrierte flexible mikroelektronische 3D-Sensorik nimmt Bewegung von Härchen auf künstlicher Haut wahr.
(Bild: Forschungsgruppe Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, TU Chemnitz)

Im Jahr 2018 hatten Wissenschaftler der University of Colorado in Boulder haben eine neue Art von formbarer und vollständig recycelbarer elektronischer Haut entwickelt, die sich selbst reparieren kann. Doch Haut als das größte menschliche Organ kann mehr: Jetzt haben Wissenschaftler elektronische Haut entwickelt, die Berührungen erstmals aus verschiedenen Richtungen wahrnehmen kann. Dazu mussten die Wissenschaftler der TU Chemnitz und des Leibniz IFW Dresden einen neuen Ansatz zur Miniaturisierung ultra-kompakter und hoch integrierter Sensoreinheiten für eine gerichtete Reizempfindlichkeit bei einem E-Skin-Systemen.

Auf der menschlichen Haut sorgen kleine Härchen dafür, kleinste Berührungen wahrzunehmen und gleichzeitig auch die Richtung aus der die Berührung kommt. Das konnte man bisher technologisch nicht abbilden. Daher ist elektronische Haut aktuell noch kaum in der Lage, den vollen Informationsgehalt einer Berührung wahrzunehmen. Mit E-Skins werden flexible elektronische Systeme bezeichnet, die die Empfindsamkeit echter organischer Haut imitieren können. Die Einsatzfelder reichen vom Hautersatz über Anwendungen als medizinische Sensoren am Körper bis hin zu künstlicher Haut für zum Beispiel menschenähnliche Maschinen wie humanoide Roboter und Androiden.

Sensorelemente in drei Dimensionen

Ein Forschungsteam hat jetzt eine Methode vorgestellt, um eine äußerst empfindliche Einheit richtungsabhängiger magnetischer 3D-Sensoren zu entwickeln, die in die elektronische Haut integriert werden kann. Zum Einsatz kommt ein neuer Integrationsansatz zur Miniaturisierung und kompakten Anordnung mikroelektronischer Komponenten. Der Ansatz erlaubt die exakte Anordnung funktionaler Sensorelemente in drei Dimensionen, die in einem parallelen Verfahrensschritt auf einem Chip erzeugt werden kann. Solche Sensorsysteme sind mit konventionellen Methoden der Mikroelektronik nur sehr schwer herzustellen.

Kern des Sensorsystems ist ein sogenannter anisotropischer-magnetoresistiver Sensor (AMR). Er bestimmt präzise Veränderungen in Magnetfeldern. Aktuell werden AMRs zum Beispiel als Drehzahlsensoren im Pkw oder zur Positions- und Winkelbestimmung von beweglichen Komponenten in Maschinen eingesetzt. Zur Entwicklung des kompakten Sensorsystems bedienten sich die Forscher des sogenannten Mikro-Origami-Verfahrens. Damit lassen sich automatisch mehrere AMR-Sensorkomponenten auf einem Chip in eine drei dimensionale Würfelstruktur auffalten, um das magnetische Vektorfeld aufzulösen.

Mit der Mikro-Origami-Methode passen viele mikroelektronische Komponenten auf engsten Raum mit Geometrien, die man mit konventionellen Mikrochip-Herstellungsverfahren nicht realisieren kann. „Mikro-origamische Verfahren wurden vor mehr als 20 Jahren erstmals entwickelt, und es ist wunderbar zu sehen, wie sich das volle Potential dieser eleganten Technologie nun für neuartige mikroelektronische Anwendungen nutzen lässt“, sagt Prof. Oliver G. Schmidt, Inhaber der Professur Materialsysteme der Nanoelektronik sowie Wissenschaftlicher Direktor des Zentrums für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (MAIN) der Technischen Universität Chemnitz.

Elektronik und Sensorik integriert

Die 3D-Magnetfeldsensoren mit feinsten künstlichen Härchen hat man in eine künstliche Haut integriert und die Härchen wurden jeweils mit einer magnetischen Wurzel ausgestattet. In den elastischen Polymermatrix der künstlichen Haut sind Elektronik und Sensorik integriert. Das ist so ähnlich wie bei organischer Haut, in der die Nerven und Sinneszellen eingebettet sind. Werden die Härchen leicht berührt, bewegen sich die magnetischen Wurzeln in eine bestimmte Richtung, dessen Positionen von den darunterliegenden Magnetfeldsensoren exakt bestimmt werden können. Das bedeutet, dass die Sensormatrix nicht nur die Bewegungen der Haare registriert, sondern auch deren Richtung. Somit wird - wie bei echter Haut – jedes Haar auf einer E-Skin zu einer eigenen Sensoreinheit, die Veränderungen in der direkten Umgebung richtungsabhängig wahrnehmen kann.

Die magneto-mechanische Kopplung zwischen 3D-Magnetfeldsensor und magnetischer Haarwurzel stattet E-Skin mit einer neuen Form der berührungsempfindlichen Wahrnehmung aus. Diese Fähigkeit ist zum Beispiel von großer Bedeutung, wenn Menschen und Roboter eng zusammenarbeiten und ein Roboter seinen menschlichen Gegenpart kurz vor einer gewollten Berührung oder einer gefährlichen Kollision vorausschauend und exakt wahrnehmen soll

Weitere Artikel zur Zukunft der Medizintechnik finden Sie in unserem Themenkanal Forschung.

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