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Flexible Mikrochips Knitterfreie Sensortechnologie für Roboterhaut

| Autor / Redakteur: Dr. Carola Langer * / Christian Lüttmann

Computerchips wie eine zweite Haut tragen – neben der Miniaturisierung von Technik spielt hier auch die die Flexibilität eine wichtige Rolle. Ein internationales Forscherteam hat nun ein flexibles und biegsames Bauelement entwickelt, das mehrere Sensoren wie auf einem klassischen Mikrochip zu einem Netzwerk integriert. Dies soll den Weg zu „elektronischer Haut“ ebnen, etwa für Roboter oder in Kleidung verarbeitete Sensorik.

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Flexible elektronische Haut mit Magnetsensoren und einer komplexen elektronischen Schaltung zur Erfassung der Magnetfeldverteilung.
Flexible elektronische Haut mit Magnetsensoren und einer komplexen elektronischen Schaltung zur Erfassung der Magnetfeldverteilung.
(Bild: Masaya Kondo)

Dresden – Die menschliche Haut hat viele Funktionen. Eine davon ist der Tastsinn, bei dem vielfältige Informationen aus der Umgebung verarbeitet werden. Das funktioniert nur, weil die Hautoberfläche flexibel und bestens vernetzt ist. Schon lange versuchen Wissenschaftler, diese Eigenschaften auch auf künstliche Haut zu übertragen, um zum Beispiel Roboter oder Prothesen damit auszustatten.

Es gibt bereits sehr dünne und biegsame Sensoren, die auch auf weichen und elastischen Oberflächen funktionieren, verschiedene physikalische Wechselwirkungen registrieren und über eine Art künstliches Nervensystem weiterleiten können. Im Vergleich zu menschlicher Haut könnte elektronische Haut sogar zusätzliche Fähigkeiten haben, zum Beispiel einen Orientierungssinn im Magnetfeld.

Sensoren kabellos vernetzen

Ein großes Hindernis für die Verwirklichung einer funktionierenden elektronischen Haut stellte bisher die praktikable Vernetzung und Ansteuerung der einzelnen Sensoren dar. Erste Demonstratoren funktionieren so, dass jeder einzelne Sensor einer flächenhaften Anordnung separat kontaktiert und adressiert werden muss. Um die nötige Verkabelung zu umgehen, ist hier der Technologieschritt nötig, der seinerzeit die Schaltkreise zum integrierten Mikrochip gebracht hat: einzelne Magnetsensoren müssen mit weiteren elektronischen Komponenten wie z.B. Signalverstärkern integriert werden, sodass sich vollintegrierte Systeme entwickeln lassen.

Forscher aus Dresden, Chemnitz und Osaka haben nun ein neues magnetisches Sensorsystem vorgestellt, das wegweisend für diese Integration ist. Es besteht aus einer Anordnung von zwei mal vier Magnetsensoren, einer organischen Schaltung (Bootstrap-Schieberegister) zur Ansteuerung der Sensormatrix und organischen Signalverstärkern. Das Besondere ist, dass alle elektronischen Komponenten auf organischen Dünnschichttransistoren basieren und in einer einzigen Plattform integriert sind.

Ein Schritt Richtung sensitiver Roboterhaut

Die Forscher zeigten, dass das System eine hohe magnetische Empfindlichkeit aufweist und die zweidimensionale Magnetfeldverteilung in Echtzeit abbilden kann. Außerdem ist es sehr robust gegenüber mechanischer Verformung, wie Biegen, Knittern oder Knicken. Neben der vollständigen Systemintegration ist auch die Verwendung von organischen Bootstrap-Schieberegistern ein wichtiger Entwicklungserfolg auf dem Weg zur elektronischen Haut.

„Unsere ersten integrierten Magnetfunktionen beweisen, dass sich flexible Dünnschichtsensoren in komplexe organische Schaltkreise integrieren lassen. Die Kompatibilität und Flexibilität dieser Geräte ist für moderne und zukünftige Anwendungen wie Soft-Robotics, Implantate und Prothetik unverzichtbar“, sagt Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, Direktor am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden. Als nächstes wollen die Forscher die Anzahl der Sensoren pro Oberfläche erhöhen und die elektronische Haut auf größere Oberflächen ausdehnen.

Originalpublikation: M. Kondo, M. Melzer, D. Karnaushenko, T. Uemura, S. Yoshimoto, M. Akiyama, Y. Noda, T. Araki, O. G. Schmidt, T. Sekitani: Imperceptible magnetic sensor matrix system integrated with organic driver and amplifier circuits,Science Advances, 22 Jan 2020: Vol. 6, no. 4; DOI: 10.1126/sciadv.aay6094

* Dr. C. Langer, Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden, 01069 Dresden

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