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Feature Stories - Vom Schnurrhaar zu taktilen Sensoren

Inspiriert von den zuckenden Schnurrhaaren gemeiner Ratten und der Etruskerspitzmaus, haben EU-finanzierte Forscher dem Nagetier ähnliche Roboter und ein innovatives taktiles Sensorsystem entwickelt, das verwendet werden könnte, um Menschen in brennenden Gebäuden zu finden, Staubsauger effizienter zu machen und schließlich die Schlüsselloch-Chirurgie zu verbessern.

Digitale Wirtschaft

Sensor-Systeme, die den Tastsinn replizieren, standen in den letzten Jahren im Mittelpunkt intensiver Forschungsbemühungen, vor allem für Robotik-Anwendungen. Aber der Fokus lag in der Regel auf der Entwicklung von Sensoren, die irgendwie die Art und Weise wie der Mensch die Welt berührt und spürt , nachahmen: mit unserer Haut und besonders unseren Fingerspitzen. "Der Hauptgrund weshalb der Mensch fingerspitzenähnliche Sensoren erforschte ist, weil wir Fingerspitzen haben. Doch jeder taktile Sensor muss Objekte und Oberflächen berühren - und Fingerspitzen sind verschleißanfällig", erklärt Tony Prescott, Professor für kognitive Neurowissenschaften an der Universität Sheffield im Vereinigten Königreich. Die Natur hat sich jedoch einen sehr viel robusteren und oft viel empfindlicheren Tastfühler ausgedacht: die Schnurrhaare. "Wenn man sich die Natur anschaut, haben fast alle Säugetiere mit Ausnahme des Menschen einen Schnurrbart - wir haben ihn verloren. Schnurrhaare sind ein natürlicher Weg, um Dinge mit zu fühlen", so Prof. Prescott. Und es stellt sich heraus, dass genau wie bei ihren biologischen Pendants, künstliche Schnurrhaare einige große Vorteile gegenüber anderen Ansätzen zur taktilen Wahrnehmung haben, wie Prof. Prescott und ein Team von Forschern aus sieben Ländern im Projekt BIOTACT (1) beweisen. Mit einer Forschungsförderung in Höhe von 5,4 Mio. EUR von der Europäischen Kommission untersuchten die Forscher Ratten und Mäuse, kleine Etruskerspitzmäuse und andere Säugetiere und versuchten, die Art und Weise zu replizieren, wie diese ihre Schnurrhaare oder 'Tasthaare' nutzen, um ihre Umgebung wahrzunehmen, Objekte zu erkennen und ihre Beute zu verfolgen. Ihre Arbeit führte zur Entwicklung eines aktiven vibrissenartigen taktilen Sensor-Arrays und einer Reihe von rattenähnlichen Robotern, die sich durch Berührung allein weiterbewegen können. Die Technologie könnte möglicherweise kommerziell für vielfältige Anwendungen eingesetzt werden, etwa wie Suche und Rettung, in Unterhaltungselektronik, für Produkttests oder in der Medizin. "Zunächst mussten wir verstehen, wie Säugetiere ihre Schnurrhaare benutzen. Rund ein Drittel des Projektes war daher der Verhaltensneurowissenschaft gewidmet, darunter das Filmen von Ratten und Spitzmäusen mit High-Speed-Kameras, um zu sehen, wie sie ihre Schnurrhaare benutzen, während die Muster neuronaler Aktivität überwacht wurde", erklärt Prof. Prescott, BIOTACT Projektkoordinator. Das Team arbeitete dann heraus, wie man das natürliche Fühlen mithilfe von Schnurrhaaren in einem künstlichen System replizieren kann. Ihr System funktioniert durch das Messen der Vibration an der Basis des Schnurrhaarschafts, die entsteht, wenn das Schnurrhaar mit einem Objekt oder einer Oberfläche in Berührung kommt. Durch Miniaturmotoren können einzelne Schnurrhaare oder auch Hunderte von Schnurrhaaren bewegt und gegen Objekte gestreift werden, und zwar genauso wie Nagetiere ihre Schnurrhaare mit hoher Geschwindigkeit hin-und her bewegen. Software und leistungsfähige Algorithmen analysieren das Feedback von den Schnurrhaaren, um etwa zu bestimmen, ob eine Oberfläche rau oder glatt ist, ob es sich um eine Ecke oder eine Wand handelt, wie weit weg ein Objekt ist oder auch ob sich ein Objekt bewegt. Nager sehen in der Regel sehr schlecht. Deshalb können sie ihre Schnurrhaare ganz genau steuern und die Spitze genau positionieren. Sie kontrollieren auch ganz akkurat die Bewegung der Schnurrhaare, um möglichst viele Informationen über ein Objekt oder eine Oberfläche zu gewinnen. Auf diese Weise können sie sich auf die Berührung allein verlassen, um ihre Umgebung zu erkunden und sogar nach Nahrung zu jagen. Robuste "nagetierähnliche Roboter" für Suche und Rettung% L% LWenn man diese Technik auf Roboter-Geräte anwendet, verbessert dieser aktive Berührungsansatz die Genauigkeit und Wirksamkeit der Sensoren, sodass ein Roboter sich seinen Weg erfühlen kann, anstatt plump an Objekte zu stoßen. Während fingerartige Robotersonden leicht beschädigt werden können, da die Sensorteile direkt der Umgebung ausgesetzt sind, befinden sich bei BIOTACT die empfindlichen elektronischen Komponenten an der Basis der Schnurrhaare und kommen nicht in direkten Kontakt mit Gegenständen oder Oberflächen. Und genau wie ihre natürlichen Vorbilder funktionieren künstliche Schnurrhaare auch, wenn sie gebrochen oder beschädigt sind, und Sie können schnell und einfach ausgetauscht werden. Mehrere Generationen von Sensoren und Robotern, die das BIOTACT-Team entwickelt hat, beweisen, wie effektiv dieser Ansatz sein kann. Shrewbot - der Spitzmausroboter - ist die neueste Entwicklung. Er sieht ein wenig wie sein Namensvetter und kann seinen Weg nur durch Berührung finden. "Shrewbot kann sogar einem sich bewegenden Objekt einfach mithilfe seiner Schnurrhaare folgen. Er besitzt keine optische Sensoren oder eine andere Abtasteinrichtung", sagt Prof. Prescott. "Da die künstlichen BIOTACT-Schnurrhaare modular aufgebaut sind, können sie für viele verschiedenen Roboter und Geräte benutzt werden. Wir haben sie bereits in Lernrobotern wie den Mindstorm-Robotern von Lego verwendet. Wir haben auch eine verkleinerte Version gebaut mit einem neuen polymer-basierten Antrieb, um die Schnurrhaare zu bewegen." "Wir wollten sicherstellen, dass diese Sensoren möglichst universell eingesetzt werden können. Dann könnte man in einen Laden gehen und einen kaufen so wie man heute eine Webcam kaufen würde und diese an jedem beliebigen Gerät oder Roboter anbringen", fügte Prof. Prescott hinzu. "Im Moment ist der Preis für die Technologie noch relativ hoch, aber wir rechnen damit, dass er im Laufe der Zeit fallen wird. Wir haben mit einigen Herstellern gesprochen und es gibt definitiv Interesse daran." Tatsächlich ist die Palette von Anwendungen für die Technologie umfangreich. Ein Spitzmaus-ähnlicher Roboter könnte etwa Feuerwehrleute dabei unterstützen, Menschen in brennenden Gebäuden oder anderen Umgebungen, wo Rauch, Staub oder Dunkelheit die Sicht behindern zu finden. Eine aquatische Version, die Mitglieder des BIOTACT-Teams in einem geplanten Folgeprojekt entwickeln wollen, könnte zur Untersuchung der trüben Unterwasserwelt eingesetzt werden. "Anstelle von Ratten und Spitzmäusen, würde diese eher einem Seehund oder Walross nachgebildet sein, die auch ihre Schnurrhaare unter Wasser benutzen", sagt der Koordinator des Projekts. "Unternehmen, die sich auf die Stilllegung von Kernkraftwerken spezialisiert haben, haben bereits Interesse angekündigt, da sie Geräte benötigen, mit denen sich Atommüll-Teiche prüfen lassen. Es gibt auch potentielle Anwendungen in der Öl-Industrie und in der Unterwasserarchäologie." In der Medizin könnten vibrissale Sensoren, nach weiterer Forschung, hochempfindliches taktiles Feedback bei der Schlüsselloch-Chirurgie, um etwa verschiedene Arten von Gewebe oder Knochen zu bestimmen. Im verarbeitenden Gewerbe konnte die Sensor-Technologie dazu verwendet werden, die Produktqualität zu testen oder Artikel zu sortieren, indem die Struktur des Materials analysiert wird. Und in Staubsaugern könnte das System automatisch unterschiedliche Oberflächen und Schalter-Einstellungen erkennen, um eine wirksame Reinigung zu gewährleisten, je nachdem, ob ein Boden gefliest oder mit Teppich ausgelegt ist. In einer etwas anderen Anwendung der Fernerkundung und Aktorik, die von BIOTACT entwickelt wurde, arbeitet die Universität Sheffield derzeit mit South Yorkshire Fire and Rescue zusammen an einem Helm für die Feuerwehr, der Ultraschall-Sensoren für die Navigation in verrauchten Umgebungen mit Aktoren kombinierte, um dem Träger eine taktile Rückmeldung zu geben. BIOTACT wurde unter dem Siebten Rahmenprogramm der Europäischen Union (RP7) als Teil des Programms Künftige und aufstrebende Technologien (Future and Emerging Technologies, FET) gefördert. Die Ergebnisse aus BIOTACT illustrieren, wie diese Form der langfristigen Grundlagenforschung zu Forschung in anderen Bereichen führen kann und Techniken einsetzen kann, um Probleme an anderer Stelle zu lösen. (1) "Biomimetic technology for vibrissal active touch" Nützliche Links: - Website "Biomimetic technology for vibrissal active touch" - Datenblatt Biotact auf CORDIS