Elektronischer Handschuh verleiht Robotern Tastsinn

Forscher an der Stanford University haben einen elektronischen Handschuh mit Sensoren entwickelt, der Roboterhänden einmal jene Gewandtheit vermitteln soll, die wir von unseren Händen gewohnt sind.

Chemieingenieurin Zhenan Bao und ihr Team haben dazu einen Beitrag in Science Robotics veröffentlicht. Daraus geht hervor, dass sich Sensoren gut eignen, um eine robotische Hand eine zarte Himbeere berühren zu lassen oder einen Tischtennisball, ohne diese zu verformen oder zu zerquetschen.

Mit dieser Technologie könnten Roboter einen Tastsinn vergleichbar dem der menschlichen Haut erhalten, sagt Bao.  Die Sensoren in den Fingerspitzen des Handschuhs messen die Stärke und die Richtung des Drucks gleichzeitig, zwei Qualitäten, die ganz wesentlich zur menschlichen Fingerfertigkeit beitragen. Die Entwickler müssen das Verfahren noch perfektionieren, um diese Sensoren automatisch zu steuern, aber gelingt das, kann der Roboter mit dem Handschuh ein Ei zwischen Daumen und Zeigefinger halten, ohne dass es zerbirst oder zu Boden fällt.

Elektronik imitiert das Leben

Der elektronische Handschuh bildet ab, wie die Schichten der menschlichen Haut beim Erreichen ihrer außerordentlichen Empfindlichkeit zusammenwirken. Die äußere Hautschicht ist mit Drucksensoren durchsetzt. Unsere Finger und Handflächen verfügen über besonders viele Berührungssensoren. Diese Sensoren stehen in Wechselwirkung mit einer darunter liegenden Schicht, dem Stratus spinosum oder der Stachelzellschicht, ein Terrain mit vielen Spitzen und Tälern.

Und diese zerklüftete Oberfläche ist entscheidend. Wenn ein Finger ein Objekt berührt, rückt die äußere Hautschicht näher an die Stachelzellschicht. Wird eine leichte Berührung hauptsächlich von den Sensoren an den Spitzen registriert, gelangt stärkerer Druck auch in die Täler und bewirkt damit ein intensiveres Gefühl der Berührung. Aber die Stachelzellschicht kann noch mehr als Druck zu messen. Sie hilft auch, die Richtung, aus der der Druck kommt, und die damit verbundenen Scherkräfte zu erkunden. Ein Finger, der einen Druck nach Norden ausübt, bewirkt damit starke Signale an den südlichen Abhängen der mikroskopisch kleinen Spitzen. Die Fähigkeit, Scherkräfte zu erspüren, erlaubt es auch, ein Ei behutsam aber doch sicher zwischen Daumen und Zeigefinger zu halten.

Clementine Boutry, Postdoc, und Marc Negre, Student, haben die Entwicklung der elektronischen Sensoren geleitet, die diesen menschlichen Mechanismus nachbilden. Jeder Sensor an der Fingerspitze des robotischen Handschuhs besteht aus drei flexiblen Schichten, die zusammenwirken. Die obere und die untere Schicht sind elektrisch aktiv. Die Wissenschaftler haben ein Netz von elektrischen Verbindungen über jede der beiden äußeren Oberflächen gespannt, ähnlich den Saatreihen in einem Feld, und diese rechtwinklig zueinander angeordneten Reihen schaffen eine dichte Gruppierung kleiner fühlender Pixel. Zudem machen sie die untere Schicht genauso uneben, wie das Stratus spinosum.

Der Isolator in der Mitte sorgt einfach für die Trennung der Elektroden auf den beiden Außenflächen. Aber diese Trennung erwies sich als wichtig, denn nahe beieinander liegende Elektroden, die sich nicht berühren, können elektrische Energie speichern. Ein robotischer Fingerdruck presst damit die oberen Elektroden näher an die unteren, die gespeicherte Energie nimmt zu. Mit den Bergspitzen und Tälern des unteren Layers ließen sich Stärke und Richtung des Drucks bestimmten Punkten des rechtwinkligen Gitters zuordnen, ähnlich wie es in menschlicher Haut funktionieren würde.

Zarte Berührungen

Um das Verfahren zu testen, haben die Entwickler ihre dreischichtige Sensorik an den Fingern eines Gummihandschuhs placiert und diesen einer Roboterhand übergezogen. Die Sensoren sollen schließlich einmal direkt in einen hautähnlichen Überzug für die robotische Hand eingebettet werden können. In einem Versuch sollte der Roboter mit dem Handschuh eine Beere berühren, ohne sie zu zerquetschen, was auch gelang. Außerdem konnte der Roboter einen Tischtennisball ergreifen und bewegen, ohne ihn zu verformen. Der Sensor ermittelte die für das Greifen und Halten des Balls notwendigen Scherkräfte.

Programmiere man eine robotische Hand mit dem berührungssensitiven Handschuh entsprechend, so kann Bao sich vorstellen, dass der Roboter monotone Arbeiten wie das Entnehmen von Eiern von einem Fließband und deren anschließendes Placieren in Kartons übernehmen könnte. Weitere Anwendungsgebiete könnten sich in der roboter-gestützten Chirurgie ergeben, in der die präzise Kontrolle von Berührungen unerlässlich ist. Aber das eigentliche Ziel von Bao besteht darin, eine Version des Handschuhs zu entwickeln, der ohne vorangehende Programmierung automatisch genau das richtige Maß findet, um einen Gegenstand sicher zu handhaben.

Bao erklärt: „Wir können einen robotische Hand so programmieren, dass sie eine Himbeere festhält, ohne sie zu zerquetschen, aber wir sind weit davon entfernt, dass sie sie berühren und erkennen kann, dass es sich um eine Himbeere handelt und dann den Roboter befähigt, sie zu greifen.“

Publikation: http://robotics.sciencemag.org/content/3/24/eaau6914

Video: https://youtu.be/ca3UaDH6Oj8

Bild: Stanford-Forscher haben einen Sensor für die Fingerspitze einer robotischen Hand entwickelt und diesen so programmiert, dass er die Heidelbeere ohne Beschädigung ergreifen kann. Bald, so hoffen sie, könnte der Roboter die Eigenschaften des Objekts erkennen und die dafür benötigten Kräfte selbstständig berechnen.  Credit: Courtesy of the Bao Lab