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Künstliche Haut

Roboter lernt mit 13.000 Sensoren das Fühlen

| Redakteur: Katharina Juschkat

Ein Forscherteam hat eine künstliche Haut für Roboter entwickelt, bestehend aus 13.000 Sensoren. Der Trick dabei war, dass die künstlichen Nervenzellen ähnlich wie menschliche reagieren.

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Die künstlichen Hautzellen überziehen den Roboter wie eine Haut und ermöglichen ihm, seine Umwelt sensibel wahrzunehmen.
Die künstlichen Hautzellen überziehen den Roboter wie eine Haut und ermöglichen ihm, seine Umwelt sensibel wahrzunehmen.
(Bild: Astrid Eckert / TUM)

Roboter arbeiten zukünftig enger mit dem Menschen zusammen. Dabei ist es essenziell, dass auch Roboter menschenähnlicher werden – indem sie etwa lernen, zu fühlen. Ein Forschungsteam um Prof. Gordon Cheng der TU München hat eine biologisch inspirierte künstliche Roboterhaut entwickelt, die für mehr Sicherheit sorgen soll.

Künstliche Hautzellen messen Umgebung

Die künstliche Haut besteht aus sechseckigen Zellen, die etwa die Größe einer Zwei-Euro-Münze haben. Jede ist mit einem Mikroprozessor und Sensoren ausgestattet, die Berührung, Beschleunigung, Annäherung und Temperatur messen. Damit nehmen die Roboter ihre Umwelt viel detaillierter und feinfühliger wahr. Das Resultat: Sie bewegen sich sicherer und Unfälle können besser vermieden werden.

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Die Hautzellen selbst hat Prof. Cheng bereits vor rund zehn Jahren entwickelt. Ihr volles Potenzial zeigt diese Erfindung aber erst als Teil eines raffinierten Systems, das jetzt im Fachmagazin „Proceedings of the IEEE“ vorgestellt wurde.

Neuro-Engineering imitiert menschliches Nervensystem für mehr Rechenkapazität

Das größte Hindernis bei der Entwicklung von Roboterhaut war bislang Rechenkapazität. Die menschliche Haut hat rund fünf Millionen Rezeptoren. Will man die Daten aus Sensoren in künstlicher Haut permanent auswerten, werden schnell Grenzen deutlich. Bisherige Systeme waren schon mit Daten aus einigen Hundert Sensoren ausgelastet.

Um dieses Problem zu lösen, haben die Forscher einen Neuro-Engineering-Ansatz gewählt. Sie überwachen Hautzellen nicht permanent, sondern nutzen ein sogenanntes ereignisbasiertes System. So lässt sich der Rechenaufwand um bis zu 90 Prozent reduzieren. Der Trick: Einzelne Zellen geben Informationen ihrer Sensoren nur weiter, wenn Messwerte sich ändern. Unser Nervensystem arbeitet ähnlich. Beispielsweise spüren wir einen Hut in dem Moment, in dem wir ihn aufsetzen, gewöhnen uns aber schnell an ihn. Da es keine Notwendigkeit gibt, den Hut permanent zu beachten, werden wir erst wieder auf ihn aufmerksam, wenn er uns vom Kopf weht. Unser Nervensystem kann sich dadurch auf neue Eindrücke konzentrieren, auf die der Körper reagieren muss.

Roboter kann Menschen umarmen

Durch den ereignisbasierten Ansatz konnte erstmals ein menschengroßer, autonomer Roboter mit künstlicher Haut ausgestattet werden, ohne auf externe Berechnungen angewiesen zu sein. Der Roboter H-1 ist mit insgesamt 1.260 Zellen und dementsprechend mehr als 13.000 Sensoren an Oberkörper, Armen, Beinen und sogar auf den Fußsohlen ausgestattet. Beispielsweise hilft die Haut auf den Fußsohlen H-1, auf Unebenheiten im Boden zu reagieren und sogar auf einem Bein zu balancieren.

Durch die Haut ist H-1 in der Lage, einen Menschen sicher zu umarmen. Das ist weniger trivial als es klingt: Roboter können Kräfte ausüben, die Menschen schwer verletzen würden. Bei Umarmungen hat ein Roboter an vielen verschiedenen Punkten Kontakt mit einer Person und muss aus diesen komplexen Informationen sehr schnell die richtigen Bewegungen und den passenden Kraftaufwand berechnen. „In der Industrie mag das weniger wichtig sein, aber in Bereichen wie der Pflege müssen Roboter auf einen sehr engen Kontakt mit Menschen ausgerichtet sein“, erklärt Gordon Cheng.

Kleine Hautzellen in großen Mengen

Das Roboterhaut-System ist zudem robust und variabel. Da die Haut nicht aus einem Stück, sondern aus Zellen besteht, ist sie auch dann funktionstüchtig, wenn einzelne Zellen ausfallen. „Unser System ist darauf ausgerichtet, problemlos und schnell mit allen möglichen Robotertypen zu funktionieren“, sagt Gordon Cheng. „Jetzt arbeiten wir daran, kleinere Hautzellen zu entwerfen, die in Zukunft in größeren Mengen hergestellt werden können.“

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