Ein farbbasierter Sensor bildet die Empfindlichkeit der Haut nach

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ChromoSense © Titouan Veuillet/Adrian Alberola Campailla
ChromoSense © Titouan Veuillet/Adrian Alberola Campailla
Mit dem Ziel, autonomere flexible Roboter und tragbare Technologien zu entwickeln, haben Wissenschaftler der EPFL ein Gerät entwickelt, das mithilfe von Farbe mehrere mechanische und thermische Reize gleichzeitig wahrnimmt.

Wissenschaftler im Bereich Robotik haben bereits große Fortschritte bei der Entwicklung von Sensoren gemacht, die Änderungen von Position, Druck und Temperatur erkennen können. All dies ist wichtig für Technologien wie tragbare Geräte und Mensch-Maschine-Schnittstellen. Ein Merkmal der menschlichen Wahrnehmung ist jedoch die Fähigkeit, mehrere Reize gleichzeitig zu erfassen, was der Robotik nur schwer gelingt.

Jamie Paik und seine Kollegen vom Labor für rekonfigurierbare Robotik an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik der EPFL haben einen Sensor entwickelt, der Kombinationen von Beugungen, Dehnungen und Kompressionen sowie Temperaturänderungen wahrnehmen kann.

Die ChromoSense genannte Technologie beruht auf einem lichtdurchlässigen Gummizylinder, der drei rot, grün und blau gefärbte Abschnitte aufweist. Eine LED im oberen Teil der Vorrichtung sendet Licht durch ihren Kern. Die Veränderungen des Lichtwegs durch die Farben, wenn das Gerät gebogen oder gedehnt wird, werden von einem Miniatur-Spektrometer im unteren Teil erfasst.

"Stellen Sie sich vor, Sie trinken mit drei Strohhalmen gleichzeitig drei Slush-Getränke mit jeweils unterschiedlichem Geschmack: Der Anteil jedes Getränks, das Sie trinken, ändert sich, wenn Sie die Strohhalme verbiegen oder verdrehen. ChromoSense nutzt das gleiche Prinzip: Es nimmt Veränderungen im Lichtweg durch die farbigen Abschnitte wahr, wenn sich die Geometrie dieser Abschnitte verformt", sagt Jamie Paik.

Ein wärmeempfindlicher Abschnitt des Geräts ermöglicht es ihm auch, Temperaturänderungen zu erkennen, und zwar mithilfe eines speziellen Farbstoffs, ähnlich wie bei farbwechselnden T-Shirts oder Stimmungsringen, der bei Hitze desaturiert. Diese Forschung wurde in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht und für die Seite Editor’s Highlights ausgewählt.

Ein vereinfachter Ansatz für tragbare Geräte

Jamie Paik erklärt, dass Robotertechnologien, die auf mehreren Kameras oder Sensorelementen beruhen, zwar effektiv sind, tragbare Geräte dadurch aber schwerer und unhandlicher werden können und mehr Datenverarbeitung erfordern.

"Damit uns flexible Roboter in unserem täglichen Leben noch nützlicher werden, müssen sie in der Lage sein, wahrzunehmen, was wir tun", sagt sie. Traditionell ist der schnellste und kostengünstigste Weg, dies zu erreichen, der Einsatz von bildverarbeitungsbasierten Systemen, die alle unsere Aktivitäten erfassen und die erforderlichen Daten daraus extrahieren. ChromoSense ermöglicht gezielteres und informationsdichteres Auslesen, und der Sensor kann für unterschiedliche Aufgaben leicht in verschiedene Materialien integriert werden."

Dank seiner einfachen mechanischen Struktur und der Verwendung von Farbe anstelle von Kameras könnte sich ChromoSense für eine kostengünstige Großproduktion eignen. Neben assistiven Technologien wie Exosuits zur Mobilitätsunterstützung sieht Jamie Paik alltägliche Anwendungen für ChromoSense in Sportgeräten oder -kleidung. Diese könnten den Nutzerinnen und Nutzern Informationen über ihre Fitness und ihre Bewegungen geben.

Eine der Stärken von ChromoSense - die Fähigkeit, mehrere Reize gleichzeitig zu erkennen - könnte auch eine Schwäche sein, denn die Entkopplung von gleichzeitig aufgebrachten Reizen ist noch eine Herausforderung, an der die Forscherinnen und Forscher arbeiten. Im Moment beschäftigen sich Jamie Paik und seine Kollegen mit der Verbesserung der Technologie, um lokal angewandte Kräfte oder die genauen Grenzen eines Materials zu erkennen, wenn es seine Form verändert.

"Wenn ChromoSense an Popularität gewinnt und viele Menschen es als vielseitige Robotersensorlösung einsetzen möchten, glaube ich, dass die Erhöhung der Informationsdichte des Sensors zu einer sehr interessanten Herausforderung werden könnte", gesteht sie.

Jamie Paik plant auch, mit verschiedenen Formaten für ChromoSense zu experimentieren. Sie könnte aber auch eine flache Form haben, die besser zu den Origami-Robotern passt, die für das Labor für rekonfigurierbare Robotik charakteristisch sind.

"Mit unserer Technologie kann jedes Objekt zum Sensor werden, vorausgesetzt, es kann von Licht durchdrungen werden", fasst sie zusammen.

Referenzen

Baines, R., Zuliani, F., Chennoufi, N. et al. Multi-modal deformation and temperature sensing for context-sensitive machines. Nat Commun 14, 7499 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467­’023 -42655-y