Kunstfinger mit Gespür
25.06.12 – Veronika Szentpetery
(SynTouch LLC.)
Damit Roboter und Prothesen fühlen können, statten Forscher Kunstfinger mit vielerlei Sensoren aus, Das allein aber reicht nicht, sie bringen ihnen auch bei, wie sie Objekte am besten Abtasten. Mittlerweile mit solchem Erfolg, dass Kunstfinger bei Tests echten überlegen sind.
Was fühlt ein Roboter, wenn er einen Gegenstand berührt? Bis jetzt wenig bis gar nichts. Aber mit den richtigen Sensoren und Software ließen sich die Maschinen mit einem ziemlich guten Tastsinn ausstatten. Das legt eine Studie von Forschern der University of Southern California und des US-Sensorik-Unternehmens SynTouch nahe, die Mitte Juni im Fachjournal „Frontiers in Neurorobotics“ veröffentlich wurde.
Die Wissenschaftler brachten dem von SynTouch entwickelten und mit verschiedenen Sensoren ausgestatten Roboterfinger BioTac bei, mit welchen Tastbewegungen sich Objekte erkennen lassen. Bei anschließenden Tests identifizierten die künstlichen Finger 117 Materialien sogar mit einer besseren Trefferquote als es Menschen vermögen.
Wer Roboter und Kunsthände mit einem Tastsinn ausstatten will, muss zunächst verstehen, wie der menschliche Tastsinn funktioniert. Woher wissen wir zum Beispiel auch mit geschlossenen Augen, was für einen Gegenstand wir in der Hand halten? Dafür sammelt unser Gehirn Informationen, indem es Objekte uns auf bestimmte Art und Weise erfühlen und betasten lässt.
Wir schließen etwa unsere Hand um sie, um ihre Größe und grobe Form abzuschätzen; wir wiegen Gegenstände in der Hand, um auf das Gewicht zu schließen und drücken, um ihre Festigkeit zu prüfen. Wir fahren mit den Fingern an ihnen entlang, um die genaue Form und die Oberflächenstruktur zu erspüren. Und wenn wir sie einfach halten, verrät auch die Temperatur einiges über das Material – Metalle fühlen sich zum Beispiel kälter an als Holz.
Bild: SynTouch LLC.
Die Forscher ließen die Kunstfinger zunächst 117 Materialien betasten – von Holz- und Textilarten über Kunst- und Schaumstoffe bis hin zu Gummi- und Papiersorten. Bei diesem Training fuhren die Finger unterschiedlich schnell und mit unterschiedlichem Druck über die Teststoffe, ähnlich wie es auch Menschen tun würden. Auf diese Weise ermittelten sie für jedes Material, wie rau oder fein es ist und welche Reibung beim Drüberstreichen entsteht und hinterlegten diese Werte über eine Software in einer Datenbank.
Biotac-Finger besitzen ähnlich wie menschliche Finger eine weiche, flexible Haut und sogar Rillen auf ihrer Oberfläche. Unter der Haut verbirgt sich eine zähe Flüssigkeit und eine Art Knochen-Kern. Mit der leicht gewellten Haut können die Kunstfinger besonders gut Vibrationen erspüren: Streichen sie über eine Oberfläche, vibriert die Kunsthaut je nach Material und Struktur auf charakteristische Weise. Diese vom flüssigen Kern weitergeleiteten Schwingungen werden von einem Drucksensor erkannt, der jeweils im festen Kern der Finger sitzt und wie ein Unterwasser-Hydrophon funktioniert.
Menschen verlassen sich ebenfalls auf Vibrationseindrücke, um Objekten zu erkennen. Der künstliche Sensorfinger schafft das aber offenbar viel besser, was durchaus eine Überraschung ist. Bislang galt der menschliche Tastsinn als das unübertroffene Vorbild. Der BioTac-Finger konnte ähnlich beschaffene Teststoffe – zum Beispiel Computerpapier und glattes Papier – in insgesamt 99,6 Prozent der Fälle korrekt auseinanderhalten. Die Probanden schafften das nur zu 81,3 Prozent.
Die Ergebnisse wecken Hoffnungen auf geschicktere Roboter und lebensechtere Prothesen. Denn der BioTac-Finger hat noch zwei weitere Sensoren, die in diesen Versuchen gar nicht zum Einsatz kamen. Zum einen besitzt er innen einen sogenannten Thermistor, der Temperaturunterschiede misst. So lassen sich verschiedene Materialien auseinanderhalten: Metall fühlt sich kälter an als Kunststoff, weil es Wärme besser leitet und die Flüssigkeit unter der Fingerhülle somit stärker abkühlt. Zum anderen sitzen auf dem Knochen-Kern mehrere Elektroden, die verraten, wie fest ein Objekt gehalten wird. Beim Zugreifen dellt sich die Haut ein und die leitfähige Flüssigkeit wird komprimiert. Durch den erhöhten Druck ändert sich der Widerstand der Elektroden und erlaubt Rückschlüsse auf die Kraft.
Drucksensor und Elektroden könnten gemeinsam melden, ob ein Gegenstand zu rutschen beginnt. Entgleitet etwa ein Glas den Fingern, erzeugt die dabei entstehende Reibung charakteristische Vibrationen und Widerstandsschwankungen, die von den beiden Sensoren erfasst werden. Die Steuerelektronik kann daraus berechnen, ob und wie fest die Prothese nachfassen muss – ohne Zutun des Trägers. Bisher vermarktet SynTouch den Kombi-Sensor vorerst nur für Forschungszwecke. Für den Einsatz an echten Prothesenhänden sind noch weitere Anpassungen notwendig.
