Schalten mit elektronischer Haut

  • 22. January 2018

Extrem dünner Magnetsensor haftet auf der Haut.

Auf den ersten Blick wirken die kleinen gold­glänzenden Elemente wie ein modernes Tattoo. Doch auf der hauch­dünnen Folie, die sich an die Handinnen­fläche wie eine zweite Haut anschmiegt und mit dem bloßen Auge kaum zu erkennen ist, befinden sich Sensoren, die den Menschen einen magne­tischen sechsten Sinn verleihen könnten. In Zukunft soll es ihnen dadurch ermög­licht werden, Objekte, zum Beispiel Telefone oder Bedienungs­anlagen, sowohl in der physischen Welt als auch in Umgebungen der erwei­terten oder vir­tuellen Realität mit bloßen Gesten zu steuern.

Abb.: Abhängig von den Feldern eines Permanentmagneten werden die Bewegungen der Hand, auf der der Sensor aufgebracht ist, auf eine virtuelle Skala übertragen, was die Lichtintensität kontrolliert. (Bild: D. Makarov)

Abb.: Abhängig von den Feldern eines Permanentmagneten werden die Bewegungen der Hand, auf der der Sensor aufgebracht ist, auf eine virtuelle Skala übertragen, was die Lichtintensität kontrolliert. (Bild: D. Makarov)

Erstmals konnten Denys Makarov vom Institut für Ionenstrahl­physik und Material­forschung am HZDR gemeinsam mit der Gruppe um Oliver G. Schmidt vom IFW Dresden und Martin Kalten­brunner vom Soft Elec­tronics Labora­tory am Linz Insti­tute of Techno­logy der JKU zeigen, dass die ultra­dünnen und fügsamen Magnet­sensoren in Kombi­nation mit einem Permanent­magneten Positions­änderungen eines Körpers im Raum wahrnehmen und verar­beiten können. „Unsere elek­tronische Haut zeichnet die Bewe­gungen beispiels­weise einer Hand auf, indem sie ihre Position in Verbindung zu den externen Magnet­feldern des Permanent­magneten setzt“, erläutert Cañón Bermúdez vom HZDR. „Dadurch können wir ihre Rota­tionen nicht nur digi­talisieren und in die virtuelle Welt über­tragen, sondern dort sogar Objekte beein­flussen.“ So gelang es den Forschern, eine virtuelle Glühbirne auf einem Computer­bildschirm berührungs­los zu steuern.

Den Permanent­magneten verpackten sie dafür in eine ring­förmige Struktur. Ver­schiedene Winkel ihres trag­baren Sensors zu dieser Quelle unter­teilten sie dann in unter­schiedliche Regionen, die wiederum mit der Licht­intensität der Glühbirne korrespon­dierten. „Indem wir die Winkel zwischen 0 und 180 Grad so codierten, dass sie einer typischen Hand­bewegung beim Dimmen einer Lampe entsprechen, haben wir einen vir­tuellen Helligkeits­regler kreiert – und ihn nur durch die Bewegung einer Hand über dem Permanent­magneten gesteuert“, beschreibt Makarov einen der Versuche. Auf ähnliche Weise konnten die Forscher auch eine virtuelle Wähl­scheibe bedienen. Nach Ansicht der Dresdner Physiker könnte sich auf dieser Grundlage eine Alter­native zu den bislang verwendeten Verbindungs­methoden zwischen der physischen und der erwei­terten oder vir­tuellen Welt ergeben.

„Die aktuellen Systeme erfassen vor allem über optische Mittel die sich bewe­genden Körper, um virtuelle Objekte zu mani­pulieren“, erzählt Makarov. „Dafür werden zum einen eine große Anzahl an Kameras sowie Beschleu­nigungs­messer und zum anderen eine schnelle Bilddaten­verarbeitung benötigt. Dabei reicht aber meist die Auflösung nicht aus, um auch feine Bewe­gungen, wie mit den Fingern, zu rekon­struieren. Aufgrund ihrer Sperrig­keit hemmen übliche Handschuhe und Brillen außerdem die Erfahrungen in der vir­tuellen Realität.“ Die haut­ähnlichen Sensoren könnten ein besseres Verbindungs­stück zwischen Mensch und Maschine sein, schätzt Martin Kalten­brunner ein: „Da unsere Polymer-Folien nicht einmal drei Mikro­meter dick sind, kann man sie leicht am Körper tragen.“

Wie weitere Versuche gezeigt haben, können die Sensoren darüber hinaus starken Verbie­gungen und Verkrüm­mungen stand­halten, ohne ihre Funk­tionalität einzubüßen. Sie eignen sich deshalb nach Meinung von Oliver G. Schmidt für den Einbau in weiche und verform­bare Materia­lien, also etwa Tex­tilien, um tragbare Elektronik zu fertigen. Einen zusätz­lichen Vorteil des neuen Ansatzes gegenüber den optischen Systemen sieht Makarov darin, dass keine direkte Sicht­verbindung zwischen dem Objekt und den Sensoren benötigt wird. Daraus ergeben sich auch mög­liche Anwen­dungen für die Sicherheits­industrie. So könnten beispiels­weise Knöpfe oder Regler in Räumen, die wegen einer Gefahren­situation nicht betreten werden dürfen, über die Sensoren auch aus der Ferne bedient werden.

HZDR / JOL

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