Damit Maschinen fühlen können Neuartige Sensoren machen Roboter sensibel

Der von Forschern der ETH Zürich entwickelte Tastsensor ist ein Schritt in Richtung empfindliche »Roboterhaut«.
Der von Forschern der ETH Zürich entwickelte Tastsensor ist ein Schritt in Richtung empfindliche »Roboterhaut«.

Mithilfe von maschinellem Lernen haben Züricher Wissenschaftler Tastsensoren entwickelt, einwirkende Kräfte hochauflösend und präzise messen. Sie sollen es Roboterarmen ermöglichen, empfindliche oder zerbrechliche Gegenstände zu greifen ohne sie zu beschädigen.

Wir Menschen haben keine Probleme, zerbrechliche oder glitschige Gegenstände mit den Händen zu greifen. Über den Tastsinn spüren wir, ob wir ein Objekt fest im Griff haben oder ob es uns bald zu entgleiten droht. Entsprechend können wir unsere Kraft dosieren. Auch die Greifarme von Robotern benötigen eine solche Rückmeldung, wenn sie fragile oder rutschige Gegenstände oder solche mit einer komplexen Oberfläche greifen sollen.

Robotikforscher der ETH Zürich haben nun einen Tastsensor entwickelt, der genau bei solchen Anwendungen zum Zug kommen kann – und somit ein Schritt ist hin zu dem, was die Ingenieure »Roboterhaut« nennen (die Details sind hier nachzulesen). Der Sensor ist sehr einfach konstruiert und damit günstig in der Herstellung. Im Wesentlichen besteht er aus einer elastischen Silikonhaut, auf deren Unterseite farbige Mikrokügelchen aus Kunststoff angebracht sind, sowie einer herkömmlichen Kamera.

Rein optische Messung

Der Sensor funktioniert optisch: Berührt er einen Gegenstand, wird die Silikonhaut verformt. Dabei verändert sich auch das Muster der Mikrokügelchen, was die Fischaugenkamera auf der Unterseite des Sensors registriert. Aus dem Muster lässt sich dann errechnen, welche Kräfte auf den Sensor einwirken.

»Herkömmliche Kraftsensoren registrieren die einwirkende Kraft nur an einem einzigen Punkt. Wir können mit unserer Roboterhaut hingegen mehrere auf die Sensorfläche einwirkende Kräfte unterscheiden und diese hochauflösend und präzise bestimmen«, sagt Carlo Sferrazza, Doktorand in der Gruppe von Raffaello D’Andrea, Professor für Regelungstechnik an der ETH Zürich. »Außerdem können wir die Richtung bestimmen, aus der eine Kraft wirkt«, erklärt Sferrazza. Das heißt, die Forscher können nicht nur die senkrecht auf den Sensor wirkenden Druckkräfte bestimmen, sondern auch quer wirkende Scherkräfte.

Datengetriebene Entwicklung

Um errechnen zu können, welche Verschiebungen der Mikrokügelchen von welchen Kräften herrühren, nutzten die Ingenieure einen umfangreichen Satz an Versuchsdaten: Sie testeten maschinengesteuert und somit standardisiert eine Vielzahl verschiedener Sensor-​Berührungen, wobei sie den Ort der Berührung, die Krafteinwirkung und die Größe des berührenden Objekts genau kontrollierten und systematisch variierten. Mithilfe maschinellen Lernens gelang es ihnen, diese mehreren Tausend erfassten Berührungen präzise mit den Veränderungen des Kügelchen-​Musters in Verbindung zu bringen.

Der dünnste Sensor-​Prototyp, den die Forscher bisher gebaut haben, ist 1,7 Zentimeter dick und hat eine Messfläche von 5 mal 5 Zentimetern. Die Ingenieure arbeiten nun daran, mit derselben Technik größere Sensorflächen zu entwickeln, die mehrere Kameras nutzen und die auch Objekte mit komplexen Formen erkennen können. Außerdem wollen die Forscher den Sensor dünner machen – eine Dicke von 0,5 Zentimeter wäre mit derzeit existierender Technologie denkbar.

Robotik, Sport und Virtual Reality

Weil das elastische Silikon rutschfest ist und der Sensor Scherkräfte messen kann, eignet er sich gut, um damit Robotergreifarme auszurüsten. »Der Sensor würde erkennen, wenn dem Greifarm ein Objekt zu entgleiten droht, womit der Roboter seine Kraft anpassen könnte«, erklärt Sferrazza.

Mit einem solchen Sensor könnte man zudem die Härte von Materialien testen oder Berührungen digital erfassen. Als Wearables konzipiert, könnten Radsportler ihre Kraftübertragung auf das Fahrrad respektive die Pedale messen, genauso wie Läuferinnen die Kraftübertragung auf ihre Schuhe beim Joggen. Schließlich könnten solche Sensoren wichtige Informationen bei der Entwicklung von Berührungsfeedback zum Beispiel für Virtual-​Reality-Spiele geben.