Berührungslos Gegenstände identifizieren und lokalisieren

Auf der Basis von Silikon und Kohlenstoffnanoröhrchen haben Forscher des Fraunhofer-IPA einen Näherungs­sensor entwickelt, der Objekte detek­tiert und ihre Position ermittelt. Mit den verwen­deten Materi­alien und dem Druck­ver­fahren ist der Sensor äußerst flexibel, kosten­günstig und für große Ober­flächen verwend­bar. Partner aus Industrie und Forschung können die Inno­vation ab sofort ein­setzen und weiter­ent­wickeln.

Auf den ersten Blick wirkt der Näherungssensor nicht besonders spekta­kulär: eine dünne, elas­tische Silikon­schicht, auf der schwarze vier­eckige Flächen aufge­druckt sind. Was aussieht wie Farbe, sind aber unzäh­lige mikro­sko­pisch kleine Kohlen­stoff­nano­röhren, die Menschen oder Gegen­stände lokali­sieren können. „Der Näherungs­sensor erkennt alles, was elek­trisch leit­fähig ist. Sobald sich ein Objekt nähert, ändert sich das elek­trische Feld“, erläu­tert Florian Bodny vom Fraun­hofer-IPA. Dabei wird nicht nur das Objekt erkannt, sondern auch auch dessen Posi­tion, wenn die Fläche aus meh­reren Sensor­ele­menten besteht.

Der Aufbau des Sensors erfolgt schichtweise. Auf eine Lage Silikon folgt eine Lage Silikon-CNT-Gemisch. Beide Materi­alien sind elas­tisch, flexibel und weisen eine hohe Umwelt­stabi­lität auf. Der Sensor lässt sich damit auch auf großen Ober­flächen anbringen. Als Herstel­lungs­ver­fahren wählten die Wissen­schaftler den Sieb­druck. Die Methode sei schnell und komme ohne auf­wendige Vor­berei­tungen aus, so Bodny. Weiter­hin sei es möglich, große Flächen zu bedrucken und die Sensoren in großen Stück­zahlen herzu­stellen. „Der Sensor lässt sich einfach anbringen, ist extrem viel­seitig und kommt mit geringen Material­kosten aus“, sagt Bodny.

In einer Versuchsreihe haben die Forscher analysiert, welche Para­meter für die Genauig­keit der Detek­tion entschei­dend sind. Dabei fanden sie heraus, dass die Konzen­tration des Aktiv­materials den größten Ein­fluss hat. An zweiter Stelle steht die Schicht­dicke, gefolgt von der Fläche des Sensors. Um ein Objekt auf acht Milli­meter Entfer­nung zu detek­tieren, sind beispiels­weise drei Druck­schichten, eine Konzen­tration von 1,5 Massen­prozent und 36 Quadrat­zenti­meter Fläche not­wendig.

Für den Näherungssensor kommen vielseitige Anwendungen in Frage. Denk­bar sei er als künst­liche Haut bei Robotern. „Service­roboter können zum Beispiel die Hand aus­strecken, wenn sie eine Person erkennen“, sagt Bodny. Auch im Bereich „Smart Home“ gibt es viele Einsatz­möglich­keiten, etwa für Lampen oder Türen, die an- oder auf­gehen, sobald ein Mensch davor steht. Mit seiner Elasti­zität ist der Sensor außer­dem zur Unfall­präven­tion geeignet, beispiels­weise auf Arbeits- und Schutz­kleidung. Die Wissen­schaftler über­legen auch, ihn in der Medizin­technik für Exo­skelette einzu­setzen.

Fh.-IPA / RK