Ultradünner Sensor misst Druck beim Tasten
Fingerkuppen-Sensor mit Feingefühl
Unsere Hände und Finger sind ein wichtiges Werkzeug im täglichen Umgang mit Gegenständen, anderen Menschen und unserer unmittelbaren Umgebung. Herauszufinden, wie genau der Tastsinn funktioniert und diese Daten aufzeichnen zu können, sind für Forschungsgebiete in der Medizin, im Sport, in den Neurowissenschaften oder auch für das Erlernen von Fähigkeiten von großer Bedeutung, bei denen Feingefühl erforderlich ist.
Jedoch ist die Generierung solcher Daten nicht leicht: Die Fingerspitzen eines Menschen sind sehr sensibel und reagieren bereits auf die kleinste spürbare Wahrnehmung, was das Messergebnis beeinflussen könnte. Ein Fingerkuppen-Sensor muss daher einerseits extrem dünn und flexibel sein aber andererseits auch Reibung sowie anderen physischen Einflüssen standhalten.
Um dieses Problem zu lösen, hat sich ein Team um David Franklin, Professor für Neuromuskuläre Diagnostik an der TUM, mit der Universität Tokyo zusammengetan. Hier haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter der Leitung von Prof. Takao Someya einen sogenannten Nanomesh-Sensor entwickelt. Er besteht aus vier ultradünnen, nanostrukturierten Schichten, die sich „perfekt für die Messung des menschlichen Tastsinns eignen“ sagt Franklin.
Dünner als menschliches Haar
Als Passivierungs- und Trägerschicht dient eine Lage aus Polyurethan-Nanofasern. Darauf folgt eine ultradünne Schicht aus Gold, eine Zwischenlage aus Parylen-umhüllten Polyurethan-Nanofasern und zuletzt wieder eine Goldschicht. Eine abschließende dünne Schicht aus Polyurethan- und Polyvinylalkohol-Nanofasern schützt die vier Lagen des Sensors mechanisch.
„Die Nanomesh Schichten werden im sogenannten Elektro-Spinning-Prozess hergestellt,“ sagt Someya. „Die Polyurethan-Nanofasern sind zwischen 200 und 400 Nanometer dünn, zweihundertmal dünner als ein menschliches Haar.“
Die Goldschichten sind eine Art Linien-Matrix, die den funktionellen elektronischen Bestandteil des Sensors bildet. Um sie herzustellen wurde Gold auf einer Trägerschicht aus Polyvinylalkohol aufgebracht, ein Kunststoff der auch für Kontaktlinsen verwendet wird. Dieser wird nach der Herstellung der Schicht ausgespült, sodass nur noch die Goldfasern erhalten bleiben.
Nicht spürbarer Reibungseffekt bei Messungen
Die Forscherinnen und Forscher führten eine Testreihe mit 18 Probandinnen und Probanden durch. Alle Testpersonen gaben an, den Sensor nicht zu spüren. Ihre Fähigkeit, Gegenstände zu greifen, wurde nicht beeinträchtigt – wie es sich das die Forschungsgruppe erhofft hatte.
„In der Vergangenheit hatten wir nur vergleichsweise grobe und steife Messinstrumente, die das Gespür im Finger sehr beeinträchtigt haben“ sagt Franklin. „Denken Sie mal an ein Haustier daheim, etwa eine Katze oder einen Hund. Welches Messinstrument wäre feinfühlig genug, um den Druck zu messen, der beim Streicheln des Tieres ausgeübt wird? Das war vorher unmöglich. Doch jetzt, mit dem Nanomesh-Sensor am Finger, ist das tatsächlich machbar.“
Das Wissen des Handwerks archivieren
Ein Bereich, in dem der Sensor zum Einsatz kommen könnte, wäre die digitale Archivierung von Handwerk. „Nehmen wir das feinmotorische Talent eines Uhrmachers“ sagt Franklin. „Wie könnten wir die Art, wie er arbeitet, für die Nachwelt archivieren? Mit welchem Druck greift er die kleinen Einzelteilchen einer Uhr auf und wie bewegt er sie? Mit der Hilfe des Nanomesh-Sensors auf seinen Fingern könnte man sein Vorgehen genau dokumentieren.“
Tatsächlich handelt es sich um den weltweit ersten Finger-Sensor, der ohne den Verlust des menschlichen Feingefühls Messungen durchführen kann. Und trotz seiner dünnen Beschaffenheit ist der Sensor sehr stabil: Bei Abriebversuchen mit einem Druck von einem Kilogramm pro Quadratzentimeter, was in etwa dem Atmosphärendruck entspricht, gingen seine Fähigkeiten auch nach 300 Wiederholungen nicht verloren. „Das zeigt, dass wir die Manipulation jeglicher Art von Objekten messen können – das war vorher nicht möglich.“
Sunghoon Lee, Sae Franklin, Faezeh Arab Hassani, Tomoyuki Yokota, Md Osman Goni Nayeem, Yan Wang, Raz Leib, Gordon Cheng, David W. Franklin, Takao Someya:
Nanomesh pressure sensor for monitoring finger manipulation without sensory interference. Science, DOI: 10.1126/science.abc9735
- Die Arbeiten wurden gefördert durch das Grundlagenforschungsprogramm ACCEL der Japan Science and Technology Agency, das KAKENHI-Programm der Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) und das TUM Institute for Advanced Study, gefördert aus Mitteln der Exzellenzinitiative und der Europäischen Gemeinschaft.
- Der Mitautor der Studie, Prof. Takao Someya, Universität Tokyo, war Hans Fischer Senior Fellow am TUM Institute for Advanced Study von 2017 bis 2020 als Gast der Professur für Kognitive Systeme unter der Leitung von Prof. Gordon Cheng.
- Prof. David Franklin ist Mitglied der Munich School of Robotics and Machine Intelligence an der TUM.
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