Der erste Touchscreen, der an die Fingerspitzen klopft: Die Ingenieure Sophie Nalbach und Steffen Hau aus dem Team von Prof. Stefan Seeleckes Team testen den Geräte-Prototyp.

Der erste Touchscreen, der an die Fingerspitzen klopft: Die Ingenieure Sophie Nalbach und Steffen Hau aus dem Team von Prof. Stefan Seeleckes Team testen den Geräte-Prototyp. Oliver Dietze

Fährt der Smartphone-Nutzer mit der Fingerspitze über das Display, ist da an einer Stelle plötzlich ein Klopfen oder Vibrieren. Darunter entsteht wie von Zauberhand ein Button. Oder der Nutzer folgt dem Signal, das seinen Finger leitet, und er findet den Knopf auf diese Weise. Mit dieser neuen Technik, die das Ingenieurteam von Prof. Dr. Stefan Seelecke am Lehrstuhl für Intelligente Materialsysteme der Universität des Saarlandes und am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik entwickelt hat, können Buttons bei Bedarf überall auf dem Bildschirm entstehen und verschwinden. Durch Vibration, Klopfen oder Stöße an die Fingerkuppe kann das Display seinen Nutzer zu ihnen führen. Damit eröffnen sich bei Computerspielen, der Internetsuche und auch für Navigationsgeräte neue Möglichkeiten.

Und so funktioniert es: Legt man an die Folie eine Spannung an, dann zieht sie sich in der einen Richtung zusammen und in die andere Richtung dehnt sie sich aus. Durch eine gezielte Veränderung des elektrischen Feldes vollführt die Folie verschiedenste Formänderungen: vom hochfrequenten Vibrieren über spezifische Impulse wie bei einem Herzschlag bis hin zu stufenlosen Hub-Bewegungen. In ihrem Prototyp, den die Wissenschaftler auf der Hannover Messe zeigten, haben sie die Folien unter anderem mit einem Smartphone-Display kombiniert. Sie lassen so nicht nur virtuelle Buttons entstehen, sondern eröffnen dem Display zusätzliche Funktionen.

Mit einer Regelung über Algorithmen wird aus dem Stück Kunststoff ein technisches Bauteil, das die Ingenieure gezielt ansteuern können. „Wir setzen dabei die Folie selbst als Positions-Sensor ein. Das Display hat damit zugleich sensorische Eigenschaften. Weitere Sensoren benötigen wir nicht“, erklärt Steffen Hau von der Forschungsgruppe. Jede einzelne Stellung der Folie lässt aber auch exakt den entsprechenden Messwerten der elektrischen Kapazität zuordnen. „Dadurch wissen wir immer, wie sich das Polymer gerade verformt. Mit den Messwerten der elektrischen Kapazität können wir auf die jeweilige mechanische Auslenkung der Folie rückschließen. Indem wir die elektrische Spannung verändern, können wir die Folie präzise ansteuern“, erklärt Hau. In einer Regelungseinheit lassen sich die Bewegungsabläufe exakt vorausberechnen und programmieren.

Die Ingenieure Philipp Linnebach (l.) und Steffen Hau (r.) zeigen Prototypen einer motorlosen Pumpe (Mitte) und eines smarten Ventils (vorne rechts) aus der dielektrischen Kunststofffolie.

Die Ingenieure Philipp Linnebach (l.) und Steffen Hau (r.) zeigen Prototypen einer motorlosen Pumpe (Mitte) und eines smarten Ventils (vorne rechts) aus der dielektrischen Kunststofffolie. Oliver Dietze

Motorlose Ventile und Pumpen

Die Ventile und Pumpen bestehen ebenfalls aus den dünner Silikonfolie, die beidseitig mit elektrisch leitfähigem Material bedruckt ist. Indem die Forscher das elektrische Feld verändern, können sie die Folie hochfrequent vibrieren oder stufenlose Hub-Bewegungen vollführen lassen. Sie kann auch jede gewünschte Stellung halten. „Das macht die Folie zu einem neuartigen Antrieb“, erklärt Hau. Gleichzeitig bekommen die Forscher eine Rückmeldung über die Bewegung der Folie. Das macht es möglich, den Durchfluss durch Ventile stufenlos zu regeln oder die Leistung einer Pumpe zu variieren. Mit einer Steuerung über Algorithmen im Hintergrund haben die Forscher selbstregelnde Ventile und motorlose Pumpen entwickelt. Der Volumenstrom der Pumpe kann dabei über die angelegte Spannungsamplitude und nicht nur wie üblich über die Frequenz geregelt werden. Mit dieser Technik können zudem sehr leise arbeitende Pumpen hergestellt werden.

Der Prototyp des Arbeitshandschuhs, der die Bewegungen seines Trägers erkennen und mit vibrierenden Signalen eine Rückmeldung geben kann, gezeigt von Sebastian Gratz-Kelly aus dem Forscherteam von Prof. Stefan Seelecke.

Der Prototyp des Arbeitshandschuhs, der die Bewegungen seines Trägers erkennen und mit vibrierenden Signalen eine Rückmeldung geben kann, gezeigt von Sebastian Gratz-Kelly aus dem Forscherteam von Prof. Stefan Seelecke. Oliver Dietze

Kommunizierende Handschuhe

Die dielektrische Silikonfolie spielt auch in dem Arbeitshandschuh die zentrale Rolle, den die Forscher entwickelt haben. In den Handschuh integriert, vermittelt die Folie als Sensor dem Computersystem, wie sich Hand und Finger des Trägers gerade bewegen. Im nächsten Schritt soll der Handschuh mit dem Träger kommunizieren: über haptische Signale an den Fingern wie Klopfen und Vibrieren. Eine mögliche Anwendung wäre, dass der Handschuh einem Monteur beim Zusammenbauen eines Gerätes durch ein Klopfsignal an den Fingerspitzen mitteilt, dass er gerade das falsche Bauteil geholt beziehungsweise in den falschen Sortierkasten gegriffen hat, und durch ein Vibrieren, dass es nun der richtige Kasten ist. So könnte die Folie in Zukunft Fehlgriffe verhindern.