Ein Prototyp eines Tastsensors. Der dünnste bisher gebaute Sensor ist 1,7 cm dick und hat eine Messfläche von 5 x 5 cm.

Ein Prototyp eines Tastsensors. Der dünnste bisher gebaute Sensor ist 1,7 cm dick und hat eine Messfläche von 5 x 5 cm. ETH Zürich

Die Sensoren verleihen den Greifern von Roboterarmen eine Art Tastsinn, mit dem sie empfindliche oder zerbrechliche Gegenstände greifen können. Der flächige Sensor ist sehr einfach konstruiert und damit günstig in der Herstellung, wie die Ingenieure betonen. Im Wesentlichen besteht er aus einer elastischen Silikonhaut, auf deren Unterseite farbige Mikrokügelchen aus Kunststoff angebracht sind, sowie einer herkömmlichen Kamera. Berührt der Sensor einen Gegenstand, wird die Silikonhaut verformt. Dabei verändert sich auch das Muster der Mikrokügelchen, was die Fischaugenkamera auf der Unterseite des Sensors registriert. Aus dem Muster lässt sich dann errechnen, welche Kräfte auf den Sensor einwirken.

„Herkömmliche Kraftsensoren registrieren die einwirkende Kraft nur an einem einzigen Punkt. Wir können mit unserer ‚Roboterhaut‘ hingegen mehrere auf die Sensorfläche einwirkende Kräfte unterscheiden und diese hochauflösend und präzise bestimmen“, sagt Carlo Sferrazza, Doktorand in der Forschungsgruppe von Raffaello D’Andrea, Professor für Regelungstechnik an der ETH Zürich.

Im Wesentlichen besteht der Sensor aus einer elastischen Silikonhaut, auf deren Unterseite farbige Mikrokügelchen aus Kunststoff angebracht sind, sowie einer herkömmlichen Kamera.

Im Wesentlichen besteht der Sensor aus einer elastischen Silikonhaut, auf deren Unterseite farbige Mikrokügelchen aus Kunststoff angebracht sind, sowie einer herkömmlichen Kamera. ETH Zürich

„Außerdem können wir die Richtung bestimmen, aus der eine Kraft wirkt“, sagt Sferrazza. Das bedeutet: Es lassen sich nicht nur die senkrecht auf den Sensor wirkenden Druckkräfte bestimmen, sondern auch quer wirkende Scherkräfte. Weil das elastische Silikon rutschfest ist und der Sensor die Scherkräfte messen kann, eignet er sich gut, um damit Robotergreifarme auszurüsten. „Der Sensor würde erkennen, wenn dem Greifarm ein Objekt zu entgleiten droht, womit der Roboter seine Kraft anpassen könnte“ erklärt Sferrazza.

Datengetriebene Entwicklung

Um errechnen zu können, welche Verschiebungen der Mikrokügelchen von welchen Kräften herrühren, nutzten die Ingenieure einen umfangreichen Satz an Versuchsdaten: Sie testeten maschinengesteuert und somit standardisiert eine Vielzahl verschiedener Sensor-​Berührungen, wobei sie den Ort der Berührung, die Krafteinwirkung und die Größe des berührenden Objekts genau kontrollierten und systematisch variierten. Mithilfe maschinellen Lernens gelang es ihnen, diese mehreren Tausend erfassten Berührungen präzise mit den Veränderungen des Kügelchen-​Musters in Verbindung zu bringen.

Der dünnste Sensor-​Prototyp, den die Forscher bisher gebaut haben, ist 1,7 Zentimeter dick und hat eine Messfläche von 5 cm mal 5 cm. Die Ingenieure sind allerdings daran, mit derselben Technik größere Sensorflächen zu entwickeln, die mehrere Kameras nutzen und die auch Objekte mit komplexen Formen erkennen können. Außerdem wollen sie den Sensor dünner machen – eine Dicke von 0,5 cm ist mit bestehenden Technologien denkbar.