Besser tasten mit bionischer Haut

  • 31. May 2018

Flexibles Sensormodul reizt lebende Muskel­zellen mit elektrischen Pulsen.

Mit flexiblen Tastsensoren können Roboter ihre Sinne erweitern und Prothesen eleganter gesteuert werden. Diesen Trend im Blick entwickelten nun koreanische und kalifornische Forscher ein Sensor­modul nach dem Vorbild der Verarbeitung von Tast­reizen in der Haut. Sie kombinierten mehrere Komponenten, um elektrische Pulse zu erzeugen, mit denen sich auch lebende Muskel­zellen gezielt anregen lassen. Dieser bionische Sensor imitiert damit eine gesamte, natürliche Nerven­bahn.

Abb.: Eine Schabe mit dem künstlichen Nervensensorsystem auf dem Rücken. (Bild: Z. Bao et al., Stanford U.)

Abb.: Eine Schabe mit dem künstlichen Nervensensorsystem auf dem Rücken (Bild: Z. Bao et al., Stanford U.)

„Dieses künstliche Sensor-Nervensystem ist ein weiterer Schritt auf dem Weg zu neuronalen Sensor­netz­werken nach dem Vorbild der Haut“, sagt Zhenan Bao von der Stanford University. Ihre Arbeits­gruppe entwickelte in den vergangenen Jahren viele Proto­typen für eine elektronische Haut, die empfindlich auf Tast­reize reagierten. Diese Sensoren verknüpften die Wissen­schaftler nun mit einen synaptischen Transistor, erdacht von Tae-Woo Lee von der Seoul National University.

Der Tastsensor selbst bestand aus einer dünnen und elastischen Kunststoff­folie. Auf einer Seite wies die Ober­fläche eine filigrane Struktur aus zahlreichen kleinen Pyramiden auf. Über und unter dieser Folie ergänzten Bao und Kollegen jeweils eine Elektrode aus Gold und aus Kohlen­stoff-Nano­röhrchen. Wurde diese Tast­folie nun mit schwachen Drücken zwischen einem und 80 Kilopascal belastet, wurden die Pyramiden-Strukturen ein­gedrückt und die Kontakt­fläche zwischen den beiden Elektroden vergrößerte sich. Damit verringerte sich der elektrische Wider­stand weitest­gehend linear von einigen Giga­ohm bis auf einige Dutzend Kilo­ohm.

Abb.: Vergleich zwischen einem natürlichen (ob.) und einem künstlichen Nervensystem für die Wahrnehmung von Tastreizen. (Bild: Z. Bao et al., Stanford U.)

Abb.: Prinzip des künstlichen Nervensensorsystems nach dem Vorbild der menschlichen Haut. Äußerer Druck führt zu Strompulsen, die Muskeln einer Schabe anregen können. (Bild: Z. Bao et al., Stanford U.)

An die Tastfolie kontaktierten die Wissenschaftler einen Ring­oszillator, der Spannungs­pulse mit Frequenzen von bis zu 100 Hertz erzeugte. Mit zunehmenden Druck auf die Tast­folie und sinkenden elektrischen Wider­stand stieg die Versorgungs­spannung des Ring­oszillators von knapp -2 Volt auf bis zu -5 Volt linear an. Parallel stiegen Frequenz und die Amplituden der erzeugten Spannungs­pulse. Diese Pulse gelangten darauf zum dritten Teil­stück des Sensor­moduls, einem synaptischen Transistor aus organischem Halb­leitern. Über die Spannungs­pulse gesteuert, lieferte der Transistor Strom­pulse mit wenigen Mikro­ampere und einer Leistung von bis zu 25 Mikrowatt, entsprechend den elektrischen Pulsen in natürlichen Nerven­bahnen.

Mit bis zu 500 Tastzyklen analysierten die Forscher die Empfindlichkeit ihres Sensor­moduls. So konnten mehrere parallel angeordnete Module die Bewegungs­richtung eines kleinen Stäbchens wahr­nehmen. Auch die Entzifferung von Braille-Schrift gelang mit Sensor­modulen, die leicht auf die punkt­förmigen Erhöhungen gedrückt wurden. Abschließend ließen sich mit den Strom­pulsen auch die Muskelzellen einer Schabe (Blaberus discoidalis) reizen, die mit einer Kontraktion reagierten.

Mit diesem bionischen Sensornerven­system ahmten die Wissenschaftler den natürlichen Tast­sinn erfolgreich nach. In weiteren Versuchen könnte es noch erweitert werden, um nicht nur als einfacher Druck­sensor zu dienen, sondern auch um komplexere Oberflächen­strukturen zu ertasten oder gar zwischen weichen und harten Materialien zu unterscheiden. Auch die Kombination mit Thermo­sensoren ist vorstellbar. Dann ließen sich Roboter mit einem Tast­sinn ausstatten, der relativ nah an die Empfindlichkeit menschlicher Haut heran­reichen könnte. Und Entwickler von Prothesen erhielten mit solchen Sensor­folien ein sensibles Feedback-System, um die Steuerung künstlicher Extremitäten zu optimieren.

Jan Oliver Löfken

DE

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