Innovationen in flexibler Elektronik und die Zukunft der elektronischen Haut bei humanoiden Robotern

Im Vergleich zu herkömmlichen starren elektronischen Geräten hat die flexible Elektronik eine revolutionäre Transformation eingeleitet. Diese Technologie ermöglicht es, elektronische Komponenten leicht, weich und sogar dehnbar zu gestalten – ähnlich wie Papier oder Smartphone-Folien. Unter den vielfältigen Anwendungen der flexiblen Elektronik gilt die elektronische Haut (E-Skin) als besonders vielversprechende Entwicklung.

Design und Funktionalität der elektronischen Haut

Elektronische Haut ist ein auf flexibler Elektronik basierendes Gerät, das menschliche Haut nachahmt. Sie muss nicht nur die Weichheit biologischer Haut besitzen, sondern auch taktiles Empfinden ermöglichen. Über die bloße Nachbildung hinaus kann elektronische Haut biologische Hautfunktionen übertreffen, indem sie physikalische und chemische Signaleaus der Umwelt und vom menschlichen Körper aufnimmt und so die Interaktion mit der Umgebung und mit sich selbst verbessert.

Haut und Tastsinn

Als größtes Organ des menschlichen Körpers ist die Haut der Hauptträger des Tastsinns. Unser Vermögen, die Härte eines Gegenstandes zu spüren, beruht auf Druckrezeptoren in der Haut, die Weichheit und Härte anhand der ausgeübten Kraft unterscheiden.
Ebenso kann elektronische Haut, ausgestattet mit Drucksensoren, die Härte von Objekten erfassen. Die piezoresistive Drucksensortechnik ist die einfachste und am häufigsten genutzte Methode hierfür, da sie Änderungen des elektrischen Widerstands infolge der Verformung leitfähiger Materialien ausnutzt.

Anwendungen flexibler Drucksensoren

Flexible Drucksensoren erfassen nicht nur Druck, sondern können auch die Form von Objekten wahrnehmen. Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben einen kostengünstigen, dehnbaren taktilen Handschuh mit 548 piezoresistiven Drucksensoren entwickelt. Dieser Handschuh kann präzise die Druckwerte jedes Sensors aufzeichnen. Durch Analyse dieser Daten wurde ein Deep-Learning-Netzwerk trainiert, um verschiedene Objekte zu erkennen und zu klassifizieren.

Integration und Anwendung der elektronischen Haut

Durch flexible Elektronik kann elektronische Haut entwickelt werden, indem dehnbare Druck- und Temperatursensoren sowie andere Komponenten integriert werden. Damit erhält sie ein ausgeprägtes Tastsinnvermögen.
Eine der direktesten Anwendungen liegt in der intelligenten Robotik: Roboter mit taktiler Wahrnehmung können Drucksignale aus ihrer Umgebung präziser interpretieren und dadurch vielfältigere und effizientere Bewegungenausführen. Beispielsweise haben heutige Roboter Schwierigkeiten beim Greifen kleiner oder weicher Objekte – die feinere mechanische Rückmeldung der elektronischen Haut kann dieses Problem überwinden.

Künstliche Afferenznerven und Umwandlung taktiler Signale

Obwohl Sensoren Objekte erkennen können, bleibt die effektive Umwandlung der Sensorsignale in neuronale elektrische Signale, die das Gehirn interpretieren kann, eine große Herausforderung. Wissenschaftler haben mithilfe biomimetischer Technologien künstliche Afferenznerven entwickelt. Diese bestehen aus piezoresistiven Drucksensoren, organischen Ringoszillatoren und synaptischen Transistoren.
Die Drucksensoren erfassen Druckinformationen, die Ringoszillatoren wandeln diese in Spannungspulse um, und die synaptischen Transistoren integrieren und transformieren die Pulse in postsynaptische Ströme. Diese Signale können dann mit biologischen Efferenznerven gekoppelt werden und so einen vollständigen Einzel-Synapsen-Reflexbogenbilden.

Experimente mit Kakerlakenbeinen und Brain-Computer-Interface-Technologie

Wissenschaftler haben künstliche Afferenznerven erfolgreich mit den Efferenznerven von Kakerlakenbeinen verbunden. Durch Druck auf den Sensor konnten sie die Bewegung der Beine steuern. Dieses Experiment verdeutlicht das Potenzial künstlicher Nerven in biologischen Anwendungen.
Darüber hinaus ermöglicht die Brain-Computer-Interface (BCI)-Technologie, bestimmte Hirnregionen und -zellen mit codierten Signalen zu stimulieren und so taktile Erfahrungen zu erzeugen. Obwohl unser Verständnis der neuronalen Codierung von Wahrnehmung noch begrenzt ist und die BCI-Technologie weitere Durchbrüche erfordert, ebnet diese Entwicklung den Weg für die zukünftige Umwandlung taktiler Signale.

Weitere Anwendungen flexibler Elektronik

Über taktile Systeme hinaus kann flexible Elektronik Sensoren hautähnliche Eigenschaften wie Weichheit, Dehnbarkeit und Selbstheilungsfähigkeit verleihen. Diese Sensoren können auf der Haut getragen oder in Kleidung integriertwerden und ermöglichen so eine Echtzeit-Überwachung von Umwelt- und physiologischen Parametern.
Elektronische Haut kann außerdem physikalische und chemische Größen wie UV-Strahlungsintensität, Luftfeuchtigkeit, Magnetfelder, Objektannäherung sowie nichtinvasiv physiologische Indikatoren wie Blutzuckerspiegel in Körperflüssigkeiten erfassen. Sie kann auch EEG-, EMG- und EKG-Daten sammeln.
Diese Anwendungen zeigen das enorme Potenzial der flexiblen Elektronik in einer Vielzahl von Bereichen.