Berührung wird zu Bewegung: Neuer Sensor macht Roboter-Elektronik überflüssig

Weiche Roboter reagieren bislang nur so schnell wie ihre Elektronik es zulässt. Sensoren, Steuerchips und Aktoren bilden eine Kette, die in feuchten, heißen oder tiefen Umgebungen schnell versagt. Ein Team des College of Design and Engineering der National University of Singapore (NUS CDE) hat diese Kette jetzt durchbrochen. Der neue Sensor ME-SOFS wandelt Berührung direkt in Bewegung um, ganz ohne Strom, Computer oder Schaltkreise.

Bild: National University of Singapore, College of Design and Engineering

Druck wird zu Fluss

ME-SOFS besteht aus einer 3D-gedruckten, porösen Struktur mit einer zentralen Säule, die von fünf flüssigkeitsgefüllten Kammern umgeben ist, vier davon horizontal, eine vertikal angeordnet. Drückt jemand auf den Sensor, kippt die Säule in Richtung der Kraft und drückt die passende Kammer zusammen. Die verdrängte Flüssigkeit strömt durch weiche Schläuche direkt zu einem Aktor und löst eine Bewegung aus, ohne dass eine Steuerung dazwischengeschaltet ist. Weil jede Kammer unabhängig reagiert, unterscheidet der Sensor horizontale, seitliche und vertikale Kräfte.

Für eine messbare elektrische Ausgabe bewegt die verdrängte Flüssigkeit kleine Magnete an gedruckten Metallbögen vorbei und erzeugt so Spannungsimpulse, nach demselben Prinzip wie ein Fahrraddynamo. Die Zahl der Impulse verrät die Stärke der Kraft, ganz ohne aktive Elektronik. Über die Geometrie der Struktur, etwa Lochdurchmesser oder Neigungswinkel, lässt sich die Empfindlichkeit an unterschiedliche Aufgaben anpassen.

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Handschuh und Tastsinn per Fluid

Das Team baute den Sensor in mehrere Systeme ein. Ein Handschuh mit fünf erbsengroßen ME-SOFS-Einheiten entstand in einem einzigen Druckvorgang und maß Greifkräfte an jedem Finger, woraus sich das Gewicht gehaltener Objekte schätzen ließ, ein möglicher Ansatz für Prothesen.

In einem zweiten Aufbau übertrug ein haptisches Pad den Fluiddruck eines Robotergreifers auf die Fingerspitzen einer Bedienperson. Mit verdeckten Augen ertastete sie, wie fest der Greifer ein Ei, Holzklötze oder eine halb gefüllte Wasserflasche hielt. Aus den aufgezeichneten Signalen lernte der Roboter anschließend, den Griff eigenständig zu wiederholen. Der Sensor steuerte zudem Flüssigkeitstropfen in einem winzigen Mikrofluidik-Chip und beugte haarähnliche, flexible Strukturen, jeweils ohne Software.

Beständig unter Druck

ME-SOFS blieb auch bei neunzig Grad heißem Wasser und einem Druck von etwa elf Metern Wassertiefe stabil und blieb, da er keine elektronischen Bauteile enthält, unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen. Als Nächstes will das Team die Struktur verkleinern und ihre Aktuationskraft steigern, um die Sensor-Aktor-Schleife direkt in weiche Roboterkörper zu integrieren und ihnen so ein beinahe reflexartiges Verhalten zu ermöglichen.

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