Smarte Materialien Berührungsempfindliche Sensoren mit haptischer Rückmeldung

Wissenschaftler des Center Smart Materials CeSMa am Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg haben Demonstratoren und Prototypen aus intelligenten und adaptiven Materialien entwickelt, die über sensorische und aktorische Fähigkeiten verfügen und sich so durch äußere Einflüsse wie elektrische oder magnetische Felder steuern lassen.

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Fraunhofer-Institut für Silicatforschung

Schalter und Drucksensoren auf der Basis extrem dehnbarer dielektrischer Elastomersensoren (DES) bzw. hochsensitiver piezoelektrischer Schichten passen sich unterschiedlichen Haptikanforderungen an und werden als mechanische Sensoren genutzt. Dabei eignen sich DES eher für weiche Oberflächen, während piezoelektrische Sensoren auf oder unter harten Materialien (z. B. Stahl) einsetzbar sind. DES stellen eine neue Klasse von mechanischen Sensoren dar, mit denen Verformungen, Kräfte und Drücke gemessen werden. Sie zeichnen sich durch extrem hohe Dehnbarkeit von bis zu 100 % aus. So können sie selbst in Strukturen integriert werden, die starken Verformungen ausgesetzt sind, beispielsweise als ortsauflösende Sitzbelegungssensoren.

Näherungssensorik: Funktionen berührungsfrei auslösen

Sensormatten auf DES-Basis reagieren sehr empfindlich auf Druckbelastung. Dies ermöglicht in der Medizintechnik eine ganze Reihe von Anwendungen. Beispielsweise könnten die Materialien, untergebracht in einem Krankenbett, Patienten vor Druckstellen bewahren. Durch Hinzufügen einer weiteren kapazitiven Elektrode lassen sich die dielektrischen Elastomersensorfolien mit einer Näherungssensorik ausstatten.

Dünne piezoelektrische Schichten auf Stahlfolienträgern bieten eine große Designfreiheit in Bezug auf Größe, Form und Krümmungsradien. Außerdem lassen sich mit dieser Technologie frei programmierbare und nicht-sichtbare Schalter in Innenraumflächen integrieren. Sie bieten eine geschlossene Oberfläche und sind staub- und schmutzunempfindlich. Zusätzlich zur eigentlichen mechanischen Druckfunktion können in die Folien auch kapazitive Felder integriert werden. Sie dienen als Näherungssensoren. Durch die Kombination beider Sensorprinzipien werden Funktionen schon bei einer bloßen Annäherung von Mensch oder Objekt vor einem tatsächlichen Kontakt ausgelöst. Im Bereich der Mensch-Maschine-Kommunikation stehen mit dieser Kombination aus Näherungs- und Drucksensorik erweiterte Funktionalitäten und Designmöglichkeiten bereit.

Schlaue Elastomere: reversibel steuerbare Festigkeit

Eine weitere steuerbare Materialklasse, die von den Forschern am Fraunhofer ISC weiterentwickelt wurde, sind magnetorheologische Elastomere (MRE). Dafür werden Elastomere mit magnetischen Partikeln versetzt und so in schaltbare Werkstoffe verwandelt. Sobald ein magnetisches Feld angelegt wird, werden die magnetischen Teilchen in der Matrix polarisiert und üben Kräfte aufeinander aus. Das lässt das Material versteifen. Wird das magnetische Feld wieder abgeschaltet, kehrt das MRE in seinen ursprünglichen weichen Zustand zurück. Der zweite Materialeffekt besteht darin, dass sich das MRE durch ein Magnetfeld verformt, aber nach Abschalten des Magnetfeldes in Millisekunden wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. Dieser Effekt kann insbesondere in Aktoren zur Erzeugung von Bewegung genutzt werden, um ein haptisches Feedback bei Betätigung z.B. von Schaltern zu geben. Aufgrund seiner Beschaffenheit lässt sich das Material in beliebige Strukturen und Oberflächen integrieren. Die MRE lassen sich als Matten oder Formkörper für die Mensch-Maschine-Kommunikation in Kombination aus Näherungs- und Drucksensorik einsetzen. Die Kombination dieser Sensorprinzipien sowie die haptische Rückmeldung bieten erweiterte Funktions- und Designmöglichkeiten. (lz)

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