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Technik mit Gefühl

Hauchdünner Fingerkuppen-Sensor

Der Nanomesh-Sensor könnte beispielsweise archivieren, wie ein Uhrmacher Einzelteilchen einer Uhr greift und bewegt. (Bild: Someya-Yokota-Lee Group / The University of Tokyo)

Das Fingerspitzengefühl von Künstlern, Handwerkern oder Chirurgen könnte sich nun digitalisieren lassen: Forscher haben einen Mess-Sensor entwickelt, der Bewegungen und Druck beim Einsatz der Fingerkuppen in Daten für technologische Anwendungen verwandeln kann. Das Besondere ist dabei: Das widerstandsfähige Nanonetz-Material ist so hauchdünn, dass es sich wie eine zweite Haut über die Fingerkuppe legt und dadurch das natürliche Feingefühl des Trägers nicht beeinträchtigt.

Neben Sehen und Hören findet der Tastsinn meist eher wenig Beachtung – doch klar ist: Die Sensibilität unserer Finger und die damit verbundene Fähigkeit zu einem komplexen Einsatz der Hand ist ein Schlüsselelement des Erfolgs des Menschen. Das Konzept beruht dabei auf raffinierten Wahrnehmungssystemen, die in Zusammenarbeit mit dem Gehirn unsere erstaunlich feinmotorischen Werkzeuge ergeben. Den Geheimnissen des Tastsinns sowie des sensiblen Verhaltens der Finger sind Forscher schon seit einiger Zeit auf der Spur. Die Ergebnisse haben dabei für verschiedene Bereiche eine Bedeutung: Neurowissenschaften, Medizin und Technik können von Einblicken in die Grundlagen des biologischen Systems profitieren.

Um dem Feingefühl auf die Spur zu kommen, gab es bereits Versuche, Information durch Sensoren zu gewinnen, die Daten zum Bewegungs- und Druckverhalten der Fingerkuppen erfassen. Doch dabei gab es bisher ein Problem, das wiederum genau mit dem Aspekt zusammenhängt, den man erforschen will: die hohe Sensibilität. Die Fingerspitzen eines Menschen reagieren bekanntlich bereits auf winzige Störquellen, wodurch sie sich bei ihrer Arbeit irritieren lassen. Dies kann somit Messergebnisse bei der Untersuchung natürlicher Verhaltensweisen stark verfälschen.

Filigranes Schichtsystem mit goldenen Leitungen

Ein optimaler Fingerkuppen-Sensor müsste im Gegensatz zu bisherigen Konzepten schwer vereinbare Merkmale besitzen: Das zur Messung fähige Material müsste einerseits extrem dünn und flexibel sein, aber andererseits auch Reibungsbelastungen sowie andere physische Beanspruchungen aushalten können. Dieser technologischen Herausforderung hat sich nun ein japanisch-deutsches Forscherteam gestellt. Als Lösung präsentieren sie einen sogenannten Nanomesh-Sensor. Er besteht aus vier ultradünnen, nanostrukturierten Schichten, die auf die Haut der Fingerkuppen aufgetragen werden können, um dort das menschliche Tastverhalten störungsfrei zu erfassen.

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„Die Nanomesh Schichten werden im sogenannten Elektro-Spinning-Prozess hergestellt“, sagt Co-Autor Takao Someya von der Universität Tokyo. Wie er erklärt, dient eine Lage aus Polyurethan-Nanofasern als Trägerschicht des Systems auf der Haut. „Die Polyurethan-Nanofasern sind zwischen 200 und 400 Nanometer dünn, zweihundertmal dünner als ein menschliches Haar“, sagt Someya. Auf diesem Material liegt eine ebenfalls hauchfeine Schicht aus Gold. Darüber befindet sich wieder eine Zwischenlage aus Parylen-umhüllten Polyurethan-Nanofasern und darauf folgt dann erneut eine Goldschicht.

Die Edelmetallstrukturen bilden eine Art Linien-Matrix, die den funktionellen elektronischen Bestandteil des Sensors bildet, erklären die Wissenschaftler. Um sie herzustellen, wurde Gold auf einer Trägerschicht aus Polyvinylalkohol aufgebracht – einem Kunststoff, der auch für Kontaktlinsen verwendet wird. Diese Substanz wird nach der Herstellung der Schicht ausgespült, sodass nur noch die Goldstrukturen erhalten bleiben. Versiegelt werden die vier Lagen des Sensors abschließend durch eine weitere dünne Schicht aus Polyurethan- und Polyvinylalkohol-Nanofasern, die das System vor der mechanischen Beanspruchung schützt.

Fingerfertigkeiten werden störungsfrei erfassbar

Um zu testen, inwieweit das Konzept hält, was es verspricht, haben die Forscher Tests mit 18 Probanden durchgeführt. „Dabei zeigte sich, dass die Sensoren nicht wahrnehmbar waren und weder die Fähigkeit, Objekte zu greifen, noch die wahrgenommene Empfindlichkeit im Vergleich zur Ausführung derselben Aufgabe ohne angebrachte Sensoren beeinträchtigten. Dies ist genau das Ergebnis, das wir uns erhofft hatten“, sagt Co-Autor Sunghoon Lee von der Universität Tokyo.

Wie sich außerdem zeigte, ist der Sensor trotz seines filigranen Aufbaus sehr stabil: Bei Abriebversuchen mit einem Druck von einem Kilogramm pro Quadratzentimeter gingen seine Fähigkeiten auch nach 300 Wiederholungen nicht verloren. „Das zeigt, dass wir die Manipulation jeglicher Art von Objekten messen können – das war vorher nicht möglich“, sagt Co-Auto David Franklin von der Technischen Universität München. „In der Vergangenheit hatten wir nur vergleichsweise grobe und steife Messinstrumente, die das Gespür im Finger sehr beeinträchtigt haben“, betont der Wissenschaftler.

Wie die Forscher erklären, bietet dieser erste Finger-Sensor, der ohne den Verlust des menschlichen Feingefühls Messungen durchführen kann, interessante Anwendungsmöglichkeiten. Ein Beispiel wäre die digitale Archivierung der sensiblen Arbeitsweisen von Handwerkern oder Chirurgen. „Nehmen wir das feinmotorische Talent eines Uhrmachers. Mit der Hilfe des Nanomesh-Sensors könnten wir für die Nachwelt archivieren, mit welchem Druck er die kleinen Einzelteilchen einer Uhr greift und wie er sie bewegt“, verdeutlicht Franklin. Wenn sich solche Prozesse digital erfassen lassen, könnte es auch möglich werden, Roboter mit vergleichbaren Fähigkeiten auszurüsten, sagen die Wissenschaftler.

Quelle: Universität Tokyo, Technischen Universität München, Fachartikel: Science, doi: 10.1126/science.abc9735

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