Die Frau, die Robotern eine sensible Haut gibt

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.

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.

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).

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.