Künstliche Haut

Zwei US-Forschungsgruppen haben neue Konzepte für Sensor-Oberflächen entwickelt, die tausendmal berührungsempfindlicher als menschliche Haut sind. Sie könnten Robotern oder Prothesen endlich einen brauchbaren Tastsinn verleihen.

Vieles, was der Mensch kann, können Maschinen inzwischen besser. Die Empfindlichkeit der Haut für den Tastsinn konnten sie aber noch nicht überbieten – erst recht nicht auf großen, biegsamen Oberflächen. Doch zwei Ansätze von kalifornischen Forschungsgruppen könnten dazu beitragen, auch diese Bastion menschlicher Fähigkeiten zu schleifen.

Wissenschaftler der Stanford University haben mit Hilfe von organischer Elektronik eine Kunsthaut geschaffen, die tausendmal berührungsempfindlicher ist als menschliche Haut. Die Gruppe an der University of California in Berkeley verwendet hingegen Transistoren aus Nanodrähten. In beiden Fällen lässt sich das Material auf großen Flächen aufbringen.

Der Bedarf für Apparate mit Tastsinn ist groß: Roboter sollen sachte Gegenstände ergreifen, ohne sie zu zerbrechen; Prothesen könnten sich wie Gliedmaßen anfühlen; und Chirurgen könnten bei minimal-invasiven Eingriffen ihre feinen Werkzeuge besser kontrollieren. „Unser Ziel, ist die menschliche Haut nachzubilden“, sagt Zhenan Bao, Ingenieurin an der Stanford University, ganz klar. Haut reagiert sehr schnell auf Druck und nimmt selbst winzige, leichte Objekte wie einzelne Sandkörner wahr.

Baos Gruppe verwendet das Silizium-haltige Polymer PDMS als Grundstoff für den neuen Sensor. Das Material ist bekannt dafür, dass es elektrische Ladungen speichern kann – die Speicherkapazität ändert sich messbar mit der jeweiligen Dicke. Japanische Forscher hatten den Kunststoff bereits als Basis für Drucksensoren ausprobiert. Die hatten aber noch den Haken, dass die PDMS-Moleküle sich unter Druck verformen und einige Zeit brauchen, um wieder in den Ausgangszustand zurückzukehren. Dies machte das Material als Sensor zu langsam.

Zhenan Bao hat dieses Problem nun gelöst, indem sie das Polymer auf der Oberfläche in zahllosen mikroskopischen Stäbchen anordnet. Die verbiegen sich unter Druck, nehmen aber schnell wieder ihre ursprüngliche Form an, so dass Messungen in rascher Folge möglich sind. Die PDMS-Stäbchen dienen dabei als dielektrische Schicht von organischen Transistoren zwischen einem Siliziumsubstrat (mit Quell- und Abflusselektroden) und der Gatterelektrode, die aus einer Schicht aus Indiumzinnoxid und dem Kunststoff PET besteht. Während menschliche Haut Drücke bis zu einem Kilopascal wahrnehmen kann, reagiert die Mikrostruktur noch auf ein Tausendstel dieser Belastung. Mit billigen Druckverfahren kann sie auf biegsame Flächen aufgebracht werden.

Die künstliche Haut der Berkeley-Gruppe um Ali Javey besteht aus zwei Schichten. Die untere enthält Transistoren aus anorganischen Nanodrähten, die obere elektrisch leitfähiges Gummi, das mit Kohlenstoffnanoröhren angereichert ist. Wird die Gummischicht eingedrückt, ändert sich ihr elektrischer Widerstand – und diese Änderung registrieren die Transistoren darunter. „Die Nanodrähte sind die aktive Elektronik, die den Drucksensor darüber zum Laufen bringt“, erläutert Javey.

Der Vorteil der Nanodraht-Transistoren ist, dass sie mit niedriger Spannung auskommen und schnell schalten. Während die Kunsthaut der Bao-Gruppe 20 Volt benötigt, genügen der von Javey fünf Volt. Auch bei den Ausmaßen schneidet der Berkeley-Prototyp besser ab: Javey hat eine quadratische Sensorfläche mit 50 Zentimetern Kantenlänge produziert, während der Stanford-Prototyp es auf einen Durchmesser von zehn Zentimetern bringt. Sowohl Javey als auch Bao betonen aber, dass die Größe nicht prinzipiell, sondern nur durch die Abmessungen der Druckwerkzeuge beschränkt sei.

Roboter könnten mit einem künstlichen Tastsinn noch besser werden, sagt Matei Ciocarlie von Willow-Garage, einem Roboterhersteller aus Menlo Park, Kalifornien. „Eine künstliche Haut muss aber große, auch unregelmäßig geformte Flächen bedecken können und dabei empfindlich und dynamisch reagieren“, so Ciocarlie. „Die beiden neuen Technologien scheinen diese Probleme zu lösen.“

Auch John Boland vom Trinity College in Dublin hält die elektronische Haut „für einen beachtlichen Fortschritt, wenn es um Stromverbrauch und Sensitivität geht“. Noch wichtiger aber sei, dass beide Gruppen es geschafft hätten, sich von flachen Geometrien zu lösen. Nun seien auch Formen wie menschliche Finger möglich, so Boland. Das könnte vor allem die „grobschlächtigen Prothesen“ von heute verbessern.

Die Paper:
– Mannsfeld, Stefan et al., "Highly sensitive flexible pressure sensors with microstructured rubber dielectric layers", Nature Materials, Online-Veröffentlichung, 12.9.2010 (Abstract)
– Takei, Kuniharu et al., "Nanowire active-matrix circuitry for low-voltage macroscale artificial skin", Nature Materials, Online-Veröffentlichung, 12.9.2010 (Abstract) (nbo)