Anna Maria Coclite von der TU Graz ist es mit ihrem Team gelungen, ein 3in1-Hybridmaterial für die nächste Generation smarter, künstlicher Haut herzustellen.

Anna Maria Coclite von der TU Graz ist es mit ihrem Team gelungen, ein 3in1-Hybridmaterial für die nächste Generation smarter, künstlicher Haut herzustellen. (Bild: Lunghammer / TU Graz)

Worum geht es bei der Smartskin?

Roboter verfügen heute noch über eine eingeschränkte "Sinneswahrnehmung". Sie können zwar über Kameras Objekte erkennen und über Kraft-Momenten-Sensoren in den Gelenken Kollisionen mit ihren Armen erfassen, ihre Außenhaut ist aber zumeist nur eine wahrnehmungslose Hülle.

Die Materialwissenschaftlerin Anna Maria Coclite von der TU Graz hat im Rahmen des von der EU mit 1,5 Millionen Euro geförderten Forschungsprojektes „SmartCore“ mit Smartskin eine künstliche Haut entwickelt, die wie ihr natürliches Vorbild in der Lage ist, Druck, Feuchtigkeit und Temperatur simultan wahrzunehmen.

Wie funktioniert die Smartskin?

Mit 2.000 einzelnen Sensoren pro Quadratmillimeter ist das Hybridmaterial feinfühliger als menschliche Fingerspitzen. Jeder dieser Sensoren besteht aus einem intelligenten Polymer in Form eines sogenannte "Hydrogels" im Inneren und aus einer Schale aus piezoelektrischem Zinkoxid. Coclite erklärt: „Das Hydrogel kann Wasser absorbieren und dehnt sich dadurch bei Feuchtigkeits- und Temperaturänderungen aus. Dabei übt es einen Druck auf das piezoelektrische Zinkoxid aus, das auf diese und auf alle anderen mechanischen Belastungen mit einem elektrischen Signal reagiert.“

Das Ergebnis ist ein hauchdünnes Material, das mit extrem hoher räumlicher Auflösung simultan auf Krafteinwirkung, Feuchtigkeit und Temperatur reagiert. „Die ersten Materialsamples sind sechs Mikrometer dünn, also 0,006 Millimeter. Es ginge aber sogar noch dünner“, so Anna Maria Coclite. Zum Vergleich: Die menschliche Oberhaut, die Epidermis, ist 0,03 bis 2 Millimeter dick.

Mehr Details dazu finden sich in der Originalveröffentlichung Smart Core-Shell Nanostructures for Force, Humidity, and Temperature Multi-Stimuli Responsiveness.

Zur Person: Anna Maria Coclite

Potraitbild Anna Maria Coclite
Anna Maria Coclite (Bild: Lundhammer / TU Graz)

Die aus Bari in Italien stammende Materialwissenschaftlerin Anna Maria Coclite hat als Post-Doc am Massachusetts Institute of Technology im Bereich der CVD-Methode (Chemical Vapor Deposition) gearbeitet, einem Fertigungsverfahren im Nanometer-Bereich. Seit 2013 forscht sie an der TU Graz. 2016 erhielt sie als erste Frau an der TU Graz eines der renommierten ERC Starting Grants der EU für das Projekt „SmartCore“.

Warum ist diese Entwicklung wichtig?

Insbesondere die Robotik und intelligente Prothetik würden von einer besser integrierten, präzisieren Sensorik ähnlich der menschlichen Haut profitieren. Im Gesundheitswesen beispielsweise könnte das Sensormaterial selbstständig Mikroorganismen erkennen und entsprechend melden. Denn die Haut des Menschen nimmt Objekte erst ab einer Größe von etwa einem Quadratmillimeter wahr. Die Smartskin hat eine tausendmal kleinere Auflösung und kann Objekte registrieren, die für die menschliche Haut zu klein sind (etwa Mikroorganismen).

Wann kommt die Smartskin aus dem Labor in die Realität?

Das steht noch nicht genau fest. Zunächst sollen die Eigenschaften der Smartskin noch weiter optimiert werden:  So sollen etwa der Temperaturbereich, auf den das Material reagiert, erweitert  und die Flexibilität der künstlichen Haut verbessert werden.

Auf dem Weg in die Anwendung punktet Smartskin jedenfalls mit einer wichtigen Eigenschaft: Die sensorischen Nanostäbchen – der „smarte Kern“ des Materials – werden mit einem dampfbasierten Herstellungsverfahren produziert. Dieses Verfahren ist in Produktionsanlagen etwa für integrierte Schaltkreise bereits gut etabliert. Die Herstellung der Smartskin kann damit leicht skaliert und in bestehende Produktionslinien implementiert werden.

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