Forscher entwickeln taktile Roboterhaut aus Hydrogel
Softroboter benötigen weiche Sensoren, um ihre Umwelt zu erfassen. Eine künstliche Haut der University of Cambridge kann Reize erfassen und Schäden erkennen.
Die taktile künstliche Haut wird von einem Roboterarm abgetastet, um die Reizerfassung zu testen.
(Bild: David Hardman u. a.)
Wissenschaftler des Bio-Inspired Robotics Lab der University of Cambridge sind der Schaffung einer künstlichen menschenähnlichen Haut mit taktilen Eigenschaften einen Schritt nähergekommen. Die Haut auf Basis von Hydrogel soll an humanoiden Robotern eingesetzt werden können und ihnen einen menschlichen Tastsinn verleihen.
Die Forschenden beschreiben in dem wissenschaftlichen Paper "Tactile perception in hydrogel-based robotic skins using data-driven electrical impedance tomography", welches in Materials Today veröffentlicht ist, wie taktile Reize mithilfe von Elektroden und einem modellfreien Berechnungsansatz rekonstruiert werden können.
Softroboter sind sicher in der Handhabung, sagt David Hardman, einer der beteiligten Forscher an der Studie. Sie beschädigten keine Gegenstände, mit denen sie umgehen, und können Aufgaben übernehmen, die starre Roboter nicht erledigen können. Dafür benötigen sie jedoch taktile Sensoren, die ebenfalls weich sein müssen.
Modellfreier Ansatz
Das von Hardman und seinen Kollegen entwickelte Sensormaterial basiert auf Hydrogel, einem wasserunlöslichen Gel, das auch Wasser enthält. Die Haut ist anpassbar, sehr dehnbar und biologisch abbaubar. "Wir koppeln es mit der Hardware der elektrischen Impedanztomographie (EIT), die mithilfe von Elektroden am Rand der Haut Ströme anlegt und Spannungen misst, die uns Informationen über den Zustand der Haut liefern. Anhand dieser Spannungen versuchen wir herauszufinden, wo die Haut berührt wurde oder ob sie beschädigt ist", erklärt Hardman die Funktionsweise der künstlichen Haut. Dieser Ansatz stehe im Widerspruch zu Methoden, die mittels neuronaler Netze mit Elektroden gesammelte Daten analysieren.
In einem Versuch testeten die Wissenschaftler die künstliche Haut und ließen sie von einem Roboterarm abtasten. Elektroden rings um die Haut herum lieferten die nötigen Daten. Daraus erstellten die Forschenden Verformungskarten. Dabei wurde nur eine kleine Menge an realen Daten benötigt. Sie stellten fest, dass dieser modellfreie Ansatz einer künstlichen Haut auf Grundlage eines konventionellen neuronalen Netzes deutlich überlegen ist. Die durchschnittliche Auflösung ihrer Haut beträgt 12,1 mm auf einer kreisförmigen Fläche mit einem Durchmesser von 170 mm.
"Fühlende" künstliche Haut
Die Hydrogel-Haut probierten die Forscher darüber hinaus in drei realen Anwendungsbereichen aus: Erkennung und Lokalisierung von Schäden, Umgebungsüberwachung und Erkennung verschiedener taktiler Reize. In allen drei Bereichen erzielte das System gute Ergebnisse. Dies deute darauf hin, dass es in weichen Robotersystemen eingesetzt werden könne.
Die Wissenschaftler sehen in der Einfachheit ihres Systems den Vorteil, dass die taktile Haut über einen ganzen Roboter hinweg genutzt werden kann. Dies sei mit einem analytischen Ansatz nicht machbar.
Die Forschenden arbeiten nun daran, die Form und Größe der künstlichen Haut zu verbessern. Das Ziel: Sie soll noch komplexere Reize verarbeiten und erkennen können. So soll sie beispielsweise an einer Roboterhand nicht nur den Ort und die Stärke einer Berührung erkennen, sondern auch die Position des Fingers und ob die Hand beschädigt ist.
(olb)