Forscher von SEOULTECH drucken tragbare intelligente Materialien im 3D-Druckverfahren
Die bahnbrechende Metamaterial-Technologie soll zu tragbaren Geräten der nächsten Generation und zur Gesundheitsüberwachung führen
Taktile Sensoren finden breite Anwendung in der Robotik, Prothetik, bei tragbaren Geräten und in der Gesundheitsüberwachung. Diese Geräte erkennen externe Reize wie Druck und Kraft und wandeln sie in elektrische Signale um, wodurch eine effektive Umgebungserkennung ermöglicht wird. Wissenschaftler haben umfangreiche Anstrengungen unternommen, um die Leistung taktiler Sensoren in Bezug auf Erfassungsbereich und Empfindlichkeit zu verbessern – ein Bereich, in dem mechanische Metamaterialien vielversprechend sind. Insbesondere auxetische mechanische Metamaterialien (AMMs) – die eine negative Poissonzahl aufweisen – ermöglichen eine Kontraktion nach innen und eine lokalisierte Spannungskonzentration bei Kompression. Diese kontraintuitiven Eigenschaften machen sie zu lukrativen Optionen für die Entwicklung von Sensoren und Aktoren mit hervorragenden Eigenschaften.
Die bestehende AMM-Technologie leidet jedoch unter Herausforderungen bei der Herstellung und Integration.
Um diese Wissenslücke zu schließen, hat ein Forscherteam der Seoul National University of Science and Technology (SEOULTECH) unter der Leitung von Mingyu Kang, dem Erstautor der Studie und Masterstudenten im Fachbereich Maschinenbau und Robotik, und unter Beteiligung von Dr. Soonjae Pyo, außerordentlicher Professor im Fachbereich Maschinenbau, eine neuartige 3D-AMM-basierte taktile Sensorplattform vorgeschlagen, die auf einem kubischen Gitter mit kugelförmigen Hohlräumen basiert und mittels digitaler Lichtverarbeitung im 3D-Druckverfahren hergestellt wurde. Ihre Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlicht.
Die Forscher untersuchten die taktile Sensorplattform unter Verwendung von 3D-gedruckten auxetischen Metamaterialien sowohl im kapazitiven als auch im piezoresistiven Sensormodus. Während der Sensor im ersten Modus über den Elektrodenabstand und die Modulation der dielektrischen Verteilung auf Druck reagiert, nutzt der zweite Modus ein konform beschichtetes Netzwerk aus Kohlenstoffnanoröhren, das den Widerstand unter Belastung verändert.
„Das einzigartige negative Poisson-Verhalten unserer Technologie bewirkt unter Druck eine Kontraktion nach innen, wodurch die Belastung im Sensorbereich konzentriert und die Empfindlichkeit erhöht wird. Über diesen grundlegenden Mechanismus hinaus verbessert unser auxetisches Design die Sensorleistung in drei entscheidenden Aspekten: Empfindlichkeitssteigerung durch lokale Belastungskonzentration, außergewöhnliche Leistungsstabilität bei Einbau in begrenzte Strukturen und Minimierung von Übersprechen zwischen benachbarten Sensoreinheiten. Im Gegensatz zu herkömmlichen porösen Strukturen minimiert dieses Design die seitliche Ausdehnung, verbessert die Tragbarkeit und reduziert Interferenzen bei der Integration in Geräte wie intelligente Einlegesohlen oder Robotergreifer. Darüber hinaus ermöglicht der Einsatz von 3D-Druck auf Basis der Digital Light Processing-Technologie eine präzise strukturelle Programmierung der Sensorleistung, wodurch eine geometriebasierte Anpassung ohne Änderung des Grundmaterials möglich ist“, so Kang.
Das Team präsentierte zwei Proof-of-Concept-Szenarien, die die Neuartigkeit ihrer Arbeit hervorheben: ein taktiles Array für die räumliche Druckkartierung und Objektklassifizierung sowie ein tragbares Einlegesohlensystem mit Funktionen zur Überwachung des Gangbildes und zur Erkennung des Pronationstyps.
„Die vorgeschlagene Sensorplattform kann in intelligente Einlegesohlen zur Gangüberwachung und Pronationsanalyse, in Roboterhände zur präzisen Objektmanipulation und in tragbare Gesundheitsüberwachungssysteme integriert werden, die eine komfortable Sensorik erfordern, ohne das tägliche Leben zu beeinträchtigen. Wichtig ist, dass die auxetische Struktur ihre Empfindlichkeit und Stabilität auch dann beibehält, wenn sie in starren Gehäusen wie Einlegesohlen eingeschlossen ist, wo herkömmliche poröse Gitter typischerweise an Leistung verlieren. Dank ihrer Skalierbarkeit und Kompatibilität mit verschiedenen Transduktionsmodi eignet sie sich auch für Druckmessflächen, Rehabilitationsgeräte und Mensch-Roboter-Interaktionsschnittstellen, die eine hohe Empfindlichkeit und mechanische Robustheit erfordern“, so Dr. Pyo.
In den nächsten zehn Jahren könnten taktile Sensoren mit auxetischer Struktur, die im 3D-Druck hergestellt werden, das Rückgrat der tragbaren Elektronik der nächsten Generation bilden und eine kontinuierliche, hochpräzise Überwachung von menschlichen Bewegungen, Körperhaltung und Gesundheitsdaten ermöglichen. Ihre strukturelle Anpassungsfähigkeit und Materialunabhängigkeit könnten die Entwicklung maßgeschneiderter, anwendungsspezifischer Sensoren für die personalisierte Medizin, fortschrittliche Prothetik und immersive haptische Rückmeldesysteme vorantreiben.
