25/01/2012 - Nanosensoren, fast menschlicher Roboterakt

Menéame

Eine auf Reibungskraftmessungen basierende Methode könnte zur Entwicklung hochpräzisionsfähiger Touchsensoren für Chirurgie, Industrie oder Raumroboter führen.

Die Aufnahme des Sinns der Sehkraft in Roboter war eine Herausforderung für Forscher vor 30 Jahren. Heute ist es eine übertroffene Herausforderung, aber Roboter sind noch weit davon entfernt, alle Reize, die sie umgeben, wirksam zu interpretieren, zum Teil, weil sie nicht ein Gefühl der fortgeschrittenen Note haben.

Ein Vorschlag von Forschern des Laboratorio de Physicia Statistica an der Universität Paris 6 (UPMC) vor kurzem von den amerikanischen Forschern Robert Carpick und Matthew Mate für die Zeitschrift Nature überprüft, könnte den Schlüssel haben. In seiner Studie argumentiert das Team, das von Alexis Prevost und Georges Debrégeas koordiniert wird, dass diese Fähigkeit durch die Messung der Veränderungen der Reibungskräfte, die auf Nanoebene auftreten, erheblich verbessert werden könnte, indem ein Objekt von einem bestimmten Relief gegen ein anderes gerieben wird.  

Forscher erklären in ihrem Artikel, der in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde, dass ein Robotersensordesign, das die Ergebnisse seiner Tests berücksichtigt, durch Reiben eines Elastomerblocks mit Reliefs, die Fingerabdrücke nachahmen, es ihnen ermöglichen würde, Informationen darüber zu erhalten, wie die Objekte Nanoskalen berührt haben, und präzisere und praktischere Maschinen hervorbringen würden.

Auf mikroskopischer Ebene wird in jedem sehr kleinen Kontaktbereich durch die Durchführung einer Zugkraft eine andere Reibungskraft des entgegengesetzten Sinnes erzeugt. Die Forscher hofften, eine Veränderung der Reibungskraft zu erkennen, die durch die Elastomerreliefs hervorgerufen wurde, und da viele "Kreste" in Berührung kamen, war es wahrscheinlich, dass diese Veränderung korrigiert wurde, d. h. auf Null geneigt war. Sie bemerkten jedoch, dass die direkte Beziehung zwischen Reibung und Zugkraft nicht erfüllt war und je rauer die Kontaktfläche war, desto größer waren die Schwingen in dieser induzierten Reibkraft.

Aus ihren Experimenten glauben Forscher, dass die Gestaltung von Sensoren, die diese Variationen von der Standard-Frist unterscheiden können, viel einfacher wäre, die Textur der Materialien mit großer Detailtiefe zu beschreiben. So könnte ein Roboter, der ein Objekt mit Fingerabdrücken mit bestimmten Reliefs berührt, in der Lage sein, nicht sehr unterschiedliche Oberflächen in seiner Rauheit zu unterscheiden "auf viel kleineren Skalen als die Ausdehnung der Kontaktfläche zwischen seinen Fingern und dem Objekt," d. h. ähnlich wie die menschliche Haut.

Das Gefühl der Berührung zu imitieren, könnte durch Informationen aus den Reaktionen auf die Reibung verschiedener Materialien sehr nützlich sein, zum Beispiel, um Roboter dazu zu bringen, Gegenstände fest zu greifen, ohne sie zu beschädigen, wie Carpick von der Abteilung für Maschinenbau und angewandte Technik der Universität Pennsylvania und der Forscher Matthew Mate, der in der Hitachi-Forschungseinrichtung in San Jose (Kalifornien) an der Überprüfung für Nature arbeitet. Um diese Art von Robotern jedoch so genau zu entwickeln, müssen zuvor neue Materialien und Technologien entwickelt werden.

In diesem Sinne hat Ramón Ceres, Forscher des CSIC-Centers für Automatik und Robotik (CAR) mit den sogenannten PVDF-Polymeren mit piezoelektrischen und pyroelektrischen Eigenschaften gearbeitet, d.h. sie sind druck- und temperaturempfindlich. "Wenn wir mit einem bestimmten Profil auf eine Roboterhand einwirken, und je nach der Verteilung des Drucks, konnten wir ein Bild von diesem Druckfeld bekommen," erklärt Ceres.

Dieser Prozess könnte auf einer kleineren Ebene viel Informationen liefern, wenn die Entdeckungen des Prevost-Teams über die durch die Textur der Objekte ausgelösten Schwankungen der Reibungskräfte angewandt würden. Laut Carpick ist die Verwendung von PVDF zwar nicht ausgeschlossen, aber die idealen Materialien für diese Anwendungen werden noch entwickelt. "Es könnten Nanomaterialien sein, die für spezifische funktionelle Eigenschaften ausgelegt sind," sagt er.

Eines der Probleme, die gelöst werden müssen, ist die Tendenz zum 'Beitritt' beim Versuch, eine Oberfläche zu berühren, und die rasche Degradation dieser Fläche, da in kleinem Maßstab die Haft- und Reibungskräfte sehr groß sind. Daher ist die Herstellung zuverlässiger Materialien, die die Verwendung aushalten können, d. h. mehrere Wiederholungen des Berührungs- und Fühlprozesses, ein wichtiger Aspekt. "Vielleicht wären kohlenstoffbasierte Materialien wie Diamanten, die wir ausführlich untersucht haben, dafür ideal," so Carpick abschließend.

Das von Prevost angeführte Team vertraut darauf, dass die Messung dieser Oszillationen in den Reibungskräften "leicht in taktile Robotersensoren implementiert" werden kann, und in der Tat, die Sensoren, die notwendig wären, um Roboter in Nanoskalen zu "fühlen." "Es gibt Systeme, die an haptische Schnittstellen angeschlossen sind [über die Gesamtheit der Kontakt-, nicht visuellen oder akustischen Empfindungen], die die Kräfte übertragen, die von der Nanospitze eines Atomkraftmikroskops an einen menschlichen Bediener aufgenommen werden." Zusätzlich zu diesen, der Forscher sagt voraus, dass es andere Arten "auf der Grundlage lokaler Untersuchungen wie Atomkraftmikroskope, Temperatur und spektroskopische oder elektrische Eigenschaften messen" geben könnte. Diese Technologie wurde jedoch noch nicht in Robotersysteme eingebaut.

Einer der Bereiche, in denen Forscher ein großes Potenzial für die Umsetzung dieses Fortschritts voraussehen, ist die laparoskopische Chirurgie. "Die Chirurgen haben ein mehr oder weniger gutes Sichtfeld, indem sie die Kamera richtig bewegen," erklärt Ceres, "aber sie vermissen es, ein Gefühl von Berührung im Werkzeug zu haben, nicht wissen, ob sie ein hartes oder weiches Material abschneiden oder ob ihnen Widerstand entgegengebracht wird." Carpick stimmt in seiner Einschätzung überein und weist darauf hin, dass die Operation "kontinuierliche Information und ein Gefühl der ultrafeinen Berührung" erfordert, die diese Art von Touch-Sensoren liefern könnten.

Bei solchen Eingriffen kann der Abstand zwischen der Hand und dem Werkzeug, das in den Körper eingeführt wird, etwa 40 bis 50 Zentimeter betragen, was zu einem Verlust des Gefühls der Berührung führt. Die Einbeziehung dieser Technologie in Scheren, Kanülen oder Skalpelle, um dem Chirurgen Informationen darüber zu vermitteln, was er tut, würde bedeuten, dass die Sensoren wirklich klein und außerdem biokompatibel sind.

Sobald es im Körper vorhanden ist, wäre es ideal, die von den Sensoren aufgenommenen Informationen so darzustellen, dass sie so nützlich wie möglich für den Arzt ist, wie es derzeit mit den Daten aus den Kameras geschieht, die in Bilder umgewandelt werden. "Sie müssten sich als ein taktiles Gefühl darstellen, das viel einfacher zu kommunizieren ist und direkt ausnutzbar und natürlich ist als die Bruttozahlen oder -daten," so Ceres.

Neben der Medizin und der Industrie im Allgemeinen könnten andere Aktivitäten die Entwicklung dieser Systeme nutzen, die in der Lage sind, sehr präzise Touchsignale zu erfassen, darunter die Stilllegung von Kernkraftwerken oder die Behandlung gefährlicher Abfälle, wo häufig die visuellen Informationen nicht ausreichen.

Nach Angaben von Ceres können Roboter, wenn sie diese höhere sensorische Kapazität aufweisen, "stärker" sein, z. B. bei der Handhabung von Teilen, der Unterwasser-Erkundung oder der Entnahme von Proben aus dem Meeresgrund. Auch auf dem Mars, wo die Befehle Minuten dauern, um zur Erde zurückzukehren und "kein direktes Feedback" zu geben, könnten sie nützlich sein, um die Beschaffenheit der Felsen vor Ort zu analysieren.

Obwohl Geräte mit einem dem Menschen vergleichbaren Berührungssinn jetzt etwas näher kommen, ist die Integration in diese zukünftigen Touch-Sensoren anderer vorhandener Technologien von entscheidender Bedeutung und wurde noch nicht angegangen. "Mehrere Sensoren, eine extrem präzise Positionssteuerung, die Isolierung von Vibrationen und Geräuschen, die Kontrolle der Rückkopplung und eine gute Lesefähigkeit sind notwendig, und all dies bei hohen Geschwindigkeiten," listet Carpick auf und illustriert den langen Weg, der noch vor uns liegt, um die Roboter mit einem Gefühl der menschlichen Berührung aus dem Science-Fiction-Bereich herauszuholen.
 

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