19.11.2018

Elektronische Haut mit Magnetsinn

Magnetsensor erkennt über Interaktion mit dem Erdmagnet­feld die Bewegungen eines Körpers.

Während viele Vögel das Magnet­feld der Erde wahrnehmen und zur Orientierung einsetzen können, fehlt Menschen diese nützliche Fähig­keit – bisher zumindest. Denn Forscher des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossen­dorf HZDR haben einen elek­tronischen Magnet­sensor entwickelt, der so empfindlich ist, dass er allein über die Inter­aktion mit dem Erdmagnet­feld die Bewegungen eines Körpers im Raum bestimmen kann. Da der Sensor hauchdünn und flexibel biegbar ist, lässt er sich problemlos auf der Haut tragen, was sie so gewisser­maßen in einen Kompass verwandelt. Diese elek­tronische Haut könnte nicht nur bei Problemen mit der Orien­tierung helfen, sondern auch den Zugang zur virtuellen Realität verein­fachen.

Abb.: Magnetsinn: Mit einer hauchdünnen, goldenen Folie auf dem Mittelfinger ließ sich ein virtueller Panda mit Hilfe des Erdmagnetfelds steuern. (Bild: G.S. Cañón Bermúdez, HZDR)

Eine einfache Hand­bewegung nach links: Und schon setzt sich der virtuelle Panda auf dem Monitor zum unteren linken Rand in Bewegung. Als die Hand nach rechts schwenkt, vollführt das schwarz-weiße Tier eine Drehung um 180 Grad. Was vor einigen Jahren nur in Science-Fiction-Filmen möglich war, konnten nun die Forscher um Denys Makarov in die Realität umsetzen. Um den Weg des Pandas zu bestimmen, brauchen sie aber keine klobigen Handschuhe, sperrigen Brillen oder aufwendige Kamera­systeme. Ihnen genügt eine nur wenige Mikro­meter dünne Polymer­folie an einem Finger und das Magnet­feld der Erde.

„Auf der Folie haben wir elek­tronische Magnet­sensoren aufgebracht, die kleinste geomagne­tische Felder detek­tieren können“, sagt Gilbert Santiago Cañón Bermúdez. „Wir reden von 40 bis 60 Mikrotesla – das ist mehr als 1000-mal schwächer als ein üblicher Magnet am Kühlschrank und entspricht in etwa dem Erdmagnet­feld.“ Dadurch konnten die Wissen­schaftler zum ersten Mal zeigen, dass das natürliche geomagne­tische Feld ausreicht, um virtuelle Objekte berührungs­los zu steuern. Bei dem Vorgänger­modell mussten die Physiker noch auf einen externen Permanent­magneten zurückgreifen: „Indem sie die Position eines Körpers, beispiels­weise einer Hand, in Verbindung zum Erd­magnetfeld setzen, können unsere Sensoren die Bewegungen aufzeichnen, was es uns erlaubt, sie zu digi­talisieren und in die virtuelle Welt zu übertragen.“

Das Prinzip hinter den Sensoren, die aus hauch­dünnen Streifen der Metall­legierung Permalloy bestehen, beruht auf dem aniso­tropen magneto­resistiven Effekt, wie Cañón Bermúdez erläutert: „Das heißt, dass sich, abhängig von der Orien­tierung zu einem äußeren Magnetfeld, der elektrische Widerstand dieser Schichten ändert. Um sie speziell auf das Erdmagnet­feld auszu­richten, haben wir diese ferro­magnetischen Streifen in einem Winkel von 45 Grad mit einem leitfähigen Material, in unserem Fall Gold­plättchen, belegt. Der Strom kann deshalb nur in diesem Winkel fließen, wodurch die Sensoren am empfind­lichsten in der Nähe besonders kleiner Magnet­felder sind. Die Spannung ist am stärksten, wenn die Sensoren auf Norden, und am schwächsten, wenn sie auf Süden ausgerichtet sind.“ Bei Versuchen in der freien Natur konnten die Forscher belegen, dass ihre Konfi­guration funk­tioniert.

Den Sensor am Zeigefinger aufge­klebt, orien­tierte sich die Testperson von Norden über Westen nach Süden und zurück – was dazu führte, dass die elek­trische Spannung dement­sprechend fiel beziehungs­weise wieder anstieg. Die so ange­zeigten Himmels­richtungen stimmten mit einem gewöhnlichen Kompass, der als Vergleich diente, überein. „Dies zeigt, dass wir erstmals einen tragbaren Sensor entwickeln konnten, der die Funktionsweise eines normalen Kompasses repro­duzieren und den Menschen einen künst­lichen Magnetsinn verleihen kann“, schätzt Bermúdez ein. Das ist aber noch nicht alles. Denn den Physikern gelang es darüber hinaus, das Prinzip in die virtuelle Realität zu über­tragen. Hier konnten sie bei Panda3D, einer Software für die Produktion von Computer­spielen, einen digitalen Panda allein über ihre Magnet­sensoren steuern.

Da die Sensoren starke Verbie­gungen und Verkrüm­mungen aushalten, ohne Funk­tionalität einzubüßen, sehen die Forscher großes Potential für ihre Entwicklung – nicht nur als Zugang zur virtuellen Realität. „Damit ließen sich zum Beispiel genauer die Effekte eines Magnet­sinnes auf Menschen untersuchen, ohne auf umständ­liche experi­mentelle Instal­lationen, die oft die Resul­tate verzerren, zurück­greifen zu müssen“, gibt Gilbert Santiago Cañón Bermúdez einen Ausblick.

HZDR / JOL

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