Künstliche Haut für Roboter und Prothesen
Wissenschaftler haben eine elektronische Haut entwickelt, die druck- bzw. tastempfindlich ist
Wissenschaftler an der University of California in Berkeley haben ein Material aus Halbleiter-Nanodrähten entwickelt, das auf Druck sensibel reagiert und so die Grundlage für eine künstliche Haut darstellen könnte, mit der es möglich würde Dinge zu spüren und entsprechend zu berühren.
Diese "elektronische Haut" (e-skin) ist freilich nicht direkt als Ersatzhaut für Menschen gedacht, sondern zunächst für Roboter, die damit die Feinfühligkeit erlangen könnten, Objekte mit dem angemessenen Kraftaufwand zu halten und mit ihnen umzugehen. Mit zerbrechlichen Gegenständen wie Weingläsern oder Eiern haben Roboter bislang ebenso Schwierigkeiten wie beispielsweise beim Umgang mit Menschen. Roboter mit einer druck- und tastempfindlichen Haut könnten dann auch als Pflegeroboter eingesetzt werden. Allerdings könnte eine solche künstliche Haut auch für Prothesen geeignet sein, um bei Menschen, die Glieder verloren haben, den Tastsinn wiederherzustellen, sofern die elektronische Haut direkt mit dem entsprechenden Gehirnarealen verbunden werden könnte.
Während bislang für diesen Zweck mit organischen Materialien experimentiert wurde, haben die Wissenschaftler erstmals mit den Nanodrähten aus kristallinem Silizium ein anorganisches Material für einen dünnen Film mit Sensoren verwendet, wie sie in ihrem Artikel in Nature Materials berichten. Das habe den großen Vorteil, dass das Material chemisch stabiler und flexibler ist und elektrischen Strom besser leitet. Zudem ist es billig herzustellen. Zur Herstellung der "elektronischen Haut" haben die Wissenschaftler eine neue Methode entwickelt, bei der 30 Nanometer dicken Germanium-Silizium-Nanodrähte auf einer zylindrischen Walze gebildet und dann auf ein klebriges Material, in diesem Fall ein Polymimid-Film, aufgerollt oder gedruckt werden. Dabei werden 7x7 cm große Gitter aus jeweils 18x19 Pixel gebildet. Jedes Pixel enthält einen aus den Nanodrähten bestehenden Transistor. Zum Betrieb reichen 5 Volt.
Mit der so gebildeten 50-100 Nanometer dicken "Haut" kann ein Druck zwischen 0 bis 15 Kilopascal registriert werden, was nach den Wissenschaftlern der Kraft gleichkommt, die man benötigt, um auf einer Tastatur zu schreiben oder ein Objekt zu halten. Dabei gleicht die Reaktionszeit der menschlichen Haut, innerhalb von 0,1 Sekunden reagiert das Material auf Druck und entspant sich wieder. Bei einem höheren Druck funktioniert die Haut noch nicht so recht. Zum Test legten die Wissenschaftler ein C auf ein 3x3 cm großes Stück der Haut und übten einen Druck von 15 Kilopascal aus. Aus der Messung eines jeden Pixel – 84 Prozent waren einsatzfähig - konnte das C rekonstruiert werden, wobei allerdings die Auflösung ziemlich groß mit 2,5 mm angesetzt wurde. Man könne die Auflösung aber auch stark erhöhen, versichern die Wissenschaftler.
In derselben Ausgabe von Nature Materials stellen Wissenschaftler der Stanford University eine künstliche Haut aus organischem Material auf einem nicht flexiblem Gummifilm her, das biokompatibel ist. Die Sensoren aus dem elastischen Polydimethylsiloxan (PDMS) werden in ein regelmäßiges Gitter eingelagert. Die Wissenschaftler haben auch einen Prototypen mit einem flexiblem PDMS-Film mit 8x8 Pixeln entwickelt.