ETH Zürich Temperatursensor für Prothesen und Roboter

Die biegsame Sensorfolie (transparent) kann die Temperatur einer Wärmeplatte (weiß) messen. In Rot eine kleine Greifzange.
Die biegsame Sensorfolie (transparent) kann die Temperatur einer Wärmeplatte (weiß) messen. In Rot eine kleine Greifzange.

Temperaturempfindungen an einer Prothese? Das könnte bald real werden: Forscher der ETH Zürich haben einen auf natürlichen Substanzen basierenden, hochempfindlichen, biegsamen Temperatursensor entwickelt, der künftig Bestandteil von künstlicher Haut in Prothesen oder Roboterarmen werden könnte.

Seine Entdeckung verdankt der Temperatursensor einem Zufall. Die Forscher waren zunächst auf eine Besonderheit des pflanzlichen Materials Pektin gestoßen – eher bekannt als Geliermittel für Konfitüren. Doch die aus vielen aneinandergereihten Zuckermolekülen bestehende Substanz hat noch eine andere Eigenschaft: Sie leitet elektrischen Strom. Dies haben sich die Wissenschaftler für ihren Temperatursensor zunutze gemacht.

Dazu stellten sie einen nur 100 µm dünnen Film…

...aus simplem, mit Kalziumlösung versetztem Pektin-Gelee her. An zwei Enden des Films brachten sie Elektroden an, mit denen sie die Leitfähigkeit messen konnten. Das Ergebnis: Der einfache Pektin-Film leitet elektrischen Strom umso besser, je wärmer er ist. Zudem ist er hauchdünn, durchsichtig und fast beliebig bieg- und verformbar.

Beachtlich ist die Messgenauigkeit: Von 10 bis 50 °C misst der Pektin-Film Temperaturen mit einer Genauigkeit von einem Hundertstel Grad. Das ist etwa doppelt so empfindlich wie die menschliche Haut.

Zudem ist der Pektin-Film  extrem leicht herzustellen und enthält keine Transistoren oder anderen elektronischen Bauteile. Dadurch ist er deutlich robuster und weniger störanfällig als herkömmliche flexible Temperatursensoren.

Um für Anwendungen in Prothesen geeignet zu sein,…

...muss der Pektin-Film auch dann noch funktionieren, wenn er nicht flach aufliegt, sondern stark verbogen wird. Den Test dazu bestand der temperaturempfindliche Film mühelos.

Zudem sollte es möglich sein, eine örtlich begrenzte Temperaturveränderung in einem großflächigen Film zu lokalisieren – ähnlich, wie die menschliche Haut einen Hitze- oder Kältereiz räumlich auflösen kann. Um dies zu prüfen, brachten die Forscher an der Längs- und Querseite eines 25 Quadratzentimeter großen Films jeweils mehrere Elektroden an, die den Film in ein gedachtes Raster unterteilten. Berührte nun ein menschlicher Finger den Film an einer bestimmten Stelle, konnten die Wissenschaftler aus der Veränderung der Signale an den verschiedenen Elektroden den Ort der Berührung recht genau bestimmen.

Derzeit perfektionieren die Forscher noch die Computeralgorithmen,…

...mit denen sie die Signale der Elektroden analysieren.  Zusammen mit einer Verbesserung der elektrischen Kontakte sollte der Temperatursensor dann schon bald bereit sein für einen Praxistest in der Robotik oder Prothetik.