Ein farbbasierter Sensor zur Nachahmung der Hautempfindlichkeit
Robotikforschende haben bereits grosse Fortschritte bei der Entwicklung von Sensoren gemacht, die Positions-, Druck- und Temperaturänderungen wahrnehmen können – allesamt wichtig für Technologien wie tragbare Geräte und Mensch-Roboter-Schnittstellen. Ein Kennzeichen der menschlichen Wahrnehmung ist jedoch die Fähigkeit, mehrere Reize gleichzeitig wahrzunehmen, und das ist etwas, was die Robotik bisher nur schwer erreichen konnte.
Jamie Paik und ihre Kollegen vom Reconfigurable Robotics Lab (RRL) der EPFL-Fakultät für Ingenieurwissenschaften haben nun einen Sensor entwickelt, der Kombinationen von Biegung, Dehnung, Druck und Temperaturveränderungen wahrnehmen kann, und zwar mit einem robusten System, das sich auf ein einfaches Konzept stützt: Farbe.
Die ChromoSense genannte Technologie des RRL basiert auf einem durchsichtigen Gummizylinder mit drei rot, grün und blau gefärbten Abschnitten. Eine LED an der Oberseite des Geräts sendet Licht durch seinen Kern, und Änderungen im Lichtweg durch die Farben, wenn das Gerät gebogen oder gedehnt wird, werden von einem miniaturisierten Spektralmesser an der Unterseite erfasst.
«Stellen Sie sich vor, Sie trinken drei verschiedene Geschmacksrichtungen von Slushie durch drei verschiedene Strohhalme auf einmal: der Anteil jeder Geschmacksrichtung ändert sich, wenn Sie die Strohhalme biegen oder drehen. Das ist das gleiche Prinzip, das ChromoSense verwendet: Es nimmt Veränderungen im Licht wahr, das durch die farbigen Abschnitte läuft, wenn sich die Geometrie dieser Abschnitte verformt», sagt Paik.
Ein wärmeempfindlicher Teil des Geräts ermöglicht es auch, Temperaturänderungen zu erkennen, indem ein spezieller Farbstoff verwendet wird – ähnlich wie bei farbwechselnden T-Shirts oder Stimmungsringen –, der bei Erwärmung seine Farbe entsättigt. Die Forschungsarbeit wurde in Nature Communications veröffentlicht und für die Editor's Highlights Seite ausgewählt.
Ein rationalisierter Ansatz für Wearables
Paik erklärt, dass Robotertechnologien, die sich auf Kameras oder mehrere Sensorelemente stützen, zwar effektiv sind, aber die tragbaren Geräte schwerer und unhandlicher machen und zudem mehr Datenverarbeitung erfordern.
«Damit Softroboter uns im täglichen Leben besser unterstützen können, müssen sie erkennen können, was wir tun», sagt sie. «Traditionell war der schnellste und kostengünstigste Weg, dies zu erreichen, der über visuelle Systeme, die alle unsere Aktivitäten erfassen und dann die erforderlichen Daten extrahieren. ChromoSense ermöglicht gezieltere, informationsreichere Messungen, und der Sensor kann leicht in verschiedene Materialien für unterschiedliche Aufgaben eingebettet werden.»
Dank seines einfachen mechanischen Aufbaus und der Verwendung von Farbe anstelle von Kameras könnte sich ChromoSense potenziell für eine kostengünstige Massenproduktion eignen. Neben Hilfstechnologien, wie z. B. mobilitätsunterstützenden Exosuits, sieht Paik alltägliche Anwendungen für ChromoSense in Sportgeräten oder Kleidung, die der Benutzerin oder dem Benutzer Rückmeldung über seine Form und Bewegungen geben könnten.
Eine Stärke von ChromoSense – die Fähigkeit, mehrere Reize gleichzeitig zu erfassen – kann auch eine Schwäche sein, da die Entkopplung gleichzeitig angewandter Reize noch eine Herausforderung darstellt, an der die Forschenden arbeiten. Im Moment konzentrieren sie sich laut Paik darauf, die Technologie so zu verbessern, dass sie lokal einwirkende Kräfte oder die genauen Grenzen eines Materials erfassen kann, wenn es seine Form verändert.
«Wenn ChromoSense an Popularität gewinnt und viele Menschen es als Allzwecklösung für die Robotersensorik nutzen wollen, dann könnte die weitere Erhöhung der Informationsdichte des Sensors eine wirklich interessante Herausforderung werden», sagt sie.
Für die Zukunft plant Paik auch, mit verschiedenen Formaten für ChromoSense zu experimentieren, das als Prototyp in zylindrischer Form und als Teil eines tragbaren weichen Exosuits entwickelt wurde, aber auch in einer flachen Form denkbar ist, die besser zu den charakteristischen Origami-Robotern des RRL passt.
«Mit unserer Technologie kann alles zu einem Sensor werden, solange es Licht durchlässt», fasst sie zusammen.
