Künstliche Fingerspitze fühlt Druck und Wärme zugleich

Ferroelektrische Schicht kann zwischen verschiedenen Reizen unterscheiden – Anwendung für Roboter und medizinische Diagnostik
Künstliche Haut: Schematischer Aufbau der multifunktionialen Sensorfolie aus einem ferroelektrischen Komposit-Werkstoff im Vergleich zur menschlichen Fingerspitze.
Künstliche Haut: Schematischer Aufbau der multifunktionialen Sensorfolie aus einem ferroelektrischen Komposit-Werkstoff im Vergleich zur menschlichen Fingerspitze.
© Ko et al.; UNIST
Ulsan (Korea) - Dünne Sensorfolien können entweder Druck- oder Wärmereize mit bereits hoher Empfindlichkeit nachweisen. Jetzt konnten koreanische Wissenschaftler diese beiden Eigenschaften in einer mikrostrukturierten künstlichen Haut miteinander verknüpfen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science Advances“ berichten, kombinierten sie für ihre flexible Sensorfolie verschiedene Materialien, deren elektrische Eigenschaften sich bei Druck- und Temperaturschwankungen veränderten. Erste Versuche zeigten, dass diese Folie sowohl in der Robotik als auch für die medizinische Diagnostik geeignet sein könnte.

„Für unsere künstliche Haut kopierten wir den Aufbau und die Funktion von einer Fingerspitze“, sagt Hyunhyub Ko vom Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST). Die Aufgabe der Nervenzellen in der menschlichen Haut übernahm dabei eine ferroelektrische Polymerfolie aus hauchdünnen Kohlenstoffschichten aus Graphenoxid und dem druckempfindlichen, piezoelektrischen Kunststoff Polyvinylidenfluorid (PVDF). Die noppenförmige Struktur dieser Schicht konnte dabei die Empfindlichkeit für Druck und Temperatur steigern. Auf die Ober- und Unterseite aufgedampfte Goldschichten dienten als Elektroden, um schon winzige Spannungsänderungen infolge der äußeren Reize aufzuzeichnen.

Ko und Kollegen führten mit ihrer künstlichen Haut von etwa der Größe eines DIN A4-Blatts mehrere Testreihen durch. Schon die leichte Berührung mit einem Haar reichte aus, um ein messbares Tastsignal zu erhalten. Der sanfte Druck einer aufgelegten Hand konnte ebenso gemessen werden. Doch zusätzlich lieferte die Folie über geringe Spannungsänderungen ein grobes Wärmebild der Handfläche. Selbst Druck und Wassertemperatur fallender Tropfen ließen sich simultan detektieren. Sowohl Wärme als auch Druck führten dabei zu messbaren elektrischen Signalen. Und die verursachenden Reize ließen sich aufgrund der unterschiedlichen Signalstruktur - mit Variationen der elektrischen Spannung und des elektrischen Widerstands - gut voneinander unterschieden. So waren, wie bei der menschlichen Haut, zeitgleiche Wahrnehmungen von Druck und Wärme möglich.

Die Sensorfolie im der Untersuchung konnte Temperaturen zwischen 0 und 100° Celsius und leichte Drücke von 0,5 bis zu 50.000 Pascal gleichzeitig nachweisen. Selbst nach tausendfachem Verbiegen funktionierte sie zuverlässig. So ist es nicht unwahrscheinlich, dass bald erste Roboter mit dieser empfindlichen künstlichen Haut ausgestattet werden könnten. Doch auch für leichte und dünne Armbänder, die permanent Puls, Blutdruck und Körpertemperatur messen können, wären diese Sensorfolien geeignet.

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