Smarte Materialien machen's möglich Berührungsempfindliche Sensoren mit haptischer Rückmeldung

Schaltflächen lösen schon bei einer bloßen Annäherung von Menschen oder Objekten Funktionen aus und geben gleichzeitig ein haptisches Feedback bei Betätigung
Schaltflächen lösen schon bei einer bloßen Annäherung von Menschen oder Objekten Funktionen aus und geben gleichzeitig ein haptisches Feedback bei Betätigung

Flexible, integrierte Schalter und Drucksensoren mit haptischer Rückmeldung, die auf menschliche Annäherung und Berührung reagieren – das ist das Spezialgebiet des Center Smart Materials (CeSMa) des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC. Nun haben die Forscher einige ihrer neuesten Entwicklungen vorgestellt.

Intelligente und adaptive Materialien haben sensorische oder aktorische Fähigkeiten, die sich durch äußere Einflüsse wie elektrische oder magnetische Felder steuern lassen. So können Materialien in ihrer Festigkeit, ihrem Fließverhalten, ihrer Ausdehnung und Druckempfindlichkeit verändert werden. Aus genau diesen Materialien entwickeln die Wissenschaftler des CeSMa Prototypen für viele Zweige der Industrie.

Schalter geben bei Betätigung haptische Rückmeldung

Ein Beispiel: Schalter und Drucksensoren auf der Basis extrem dehnbarer dielektrischer Elastomersensoren (DES) bzw. hochsensitiver piezoelektrischer Schichten passen sich unterschiedlichen Haptikanforderungen und mechanischen Sensorfunktionen an. 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 Prozent aus. So können sie selbst in Strukturen integriert werden, die starken Verformungen ausgesetzt sind, beispielsweise als ortsauflösende Sitzbelegungssensoren.

Den Forschern des CeSMa ist es gelungen, aus DES neuartige Sensormatten zu entwickeln, die sehr empfindlich auf Druckbelastung reagieren. Mit intelligenten DES-Sensormatten ausgestattete Sitze, die die jeweilige Sitzposition registrieren, könnten die Verletzungsgefahr bei Pkw-Unfällen reduzieren. Und auch in der Medizintechnik gäbe es eine ganze Reihe von Anwendungen, beispielsweise könnten die Materialien – untergebracht in einem Krankenbett – Patienten vor Druckstellen bewahren.

Dünne piezoelektrische Schichten auf Stahlfolienträgern bieten eine große Designfreiheit in Bezug auf Größe, Form und Krümmungsradien. Außerdem lassen sich mit dieser Technologie frei programmierbare »unsichtbare« 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. Die Schaltflächen lösen so schon bei einer bloßen Annäherung von Menschen oder Objekten Funktionen aus und geben gleichzeitig ein haptisches Feedback bei Betätigung.

Im Bereich der Mensch-Maschine-Kommunikation stehen mit dieser Kombination aus Näherungs- und Drucksensorik erweiterte Funktionalitäten und Designmöglichkeiten bereit.