Bild: Porter Gifford
Immer mehr Smartphones, MP3-Spieler und andere mobile Geräte besitzen berührungsempfindliche Schnittstellen - und immer mehr Menschen gewöhnen sich daran, mit ihren Gadgets nur noch per Fingerzeig zu interagieren. Im 11. Stock eines Gebäudes in Downtown Manhattan arbeiten Forscher der New York University (NYU) derzeit daran, dass sich dieser Trend weiter ausdehnt: Ilya Rosenberg und Ken Perlin haben eine druckempfindliche Platte entwickelt, die nicht nur auf Berührung, sondern auch präzise auf Druck reagiert. Das Touchpad ist so kostengünstig, dass es eines Tages in nahezu jede Oberfläche integriert werden könnte.
Die Idee für die Entwicklung kam Rosenberg, Masterstudent an der NYU, vor einigen Jahren, als er mit einem leitenden Polymer arbeitete, einer zähen Tinte, die per Widerstandsmessung angelegte Kräfte erkennen kann. Solche und ähnliche Techniken werden gerne in elektronischen Musikinstrumenten verwendet. Wird Druck auf die Tinte ausgeübt, richten sich die enthaltenen Moleküle intern so aus, dass sich das elektrische Widerstandsverhalten verändert. Dies lässt sich wiederum leicht messen.
Rosenberg nutzte die Spezialtinte anfangs zum Bau von Sensoren, die man auf Tennisplätzen integrieren konnte, um Schiedsrichterentscheidungen ("Aus“, "Innerhalb der Linie") genauer zu machen. Er fragte sich jedoch schnell, ob die Technik nicht auch eine Basis für ein verbessertes Multitouch-Interface für Computer sein könnte. Er begann daher eine Zusammenarbeit mit Perlin, Professor am Media Research Laboratory der NYU. Erstes Ziel der beiden: Die Entwicklung einer druck- und berührungsempfindlichen Platte, mit der sich eine Computermaus ersetzen ließ.
Ähnliche drucksensible Platten existieren bereits seit Jahren, doch die meisten wurden nur für einfache Anwendungen verwendet, etwa zur Erkennung, ob ein Autositz besetzt ist. Geräte wie Palmtops, die einen Stift für die Eingabe nutzen, erkennen Berührungen normalerweise durch die Messung des elektrischen Widerstands, wenn ein Objekt den Bildschirm berührt. Damit lässt sich allerdings nur jeweils eine Eingabe gleichzeitig erfassen. Aktuelle Smartphones und berührungsempfindliche Bildschirme arbeiten deshalb mit einem anderen Sensor, der Veränderungen der elektrischen Kapazität misst, also der Fähigkeit eines Materials, eine elektrische Ladung zu speichern. Die Kapazität verändert sich, wenn Objekte, die Wasser enthalten (also auch Finger), sich über einen Bildschirm bewegen. Solche Displays können mehrere Berührungen gleichzeitig erfassen (Multitouch), Druck allerdings nicht feststellen.
Rosenberg und Perlins neues Touchpad kombiniert nun Vorteile beider Technologien: Es kann gleichzeitig Druck und Ort mehrerer Berührungen ermitteln und lässt sich leicht und vor allem kostengünstig in nahezu jeder Größe produzieren - vom Minianhänger bis zur Tischplatte.
Um sein Gerät herzustellen, beginnt Rosenberg mit einem Kunststoffbogen, der kaum dicker ist als ein Stück Papier. Er nutzt ein spezielles Programm, um ein Leitungsmuster zu gestalten, das dann auf jedes Blatt gedruckt wird - es ist an die jeweilige Anwendung angepasst. Die Leitungen werden dann mit einem Metall in den Kunststoff eingebracht, um ihn elektrisch leitfähig zu machen; schließlich wird der Bogen mit einer schwarzen, drucksensiblen Tinte überzogen. In Massenproduktion würde ein solcher Drucksensor rund 100 Dollar pro Quadratmeter kosten; für die Prototypen in Briefgröße investieren die Forscher aktuell ebenfalls 100 Dollar.
Rosenberg platziert anschließend zwei der vorbereiteten Blätter gegeneinander. Die Seiten mit der Polymertinte zeigen nach Innen, so dass die Leitungen aus Metall ein Gitter bilden. Dann klebt er beide Blätter mit einem doppelseitigen Klebeband zusammen. Jede sechste Leitung endet an einer Kante des Kunststoffbogens in einem kurzen, flexiblen Schwanz, der mit einer Klemme an einer starren Leiterplatine befestigt ist. Obwohl die restlichen Drähte nicht an die Elektronik angeschlossen sind, beeinflussen sie doch die elektrischen Eigenschaften der aktiven Leitungen, was es einer Software erlaubt, abzulesen, wo die Berührung genau herkommt.
Die Leiterplatine selbst enthält einen Mikrochip, der die Sensorplatte ständig scannt und jede aktive Leitung in schneller Folge mit Strom versorgt. Der Chip wandelt die Druckdaten aus einem kontinuierlichen analogen Signal zudem in ein digitales Format um, so dass ein Rechner es interpretieren kann. Zum Schluss werden die Daten komprimiert und über eine USB-Verbindung an einen Rechner gesendet - bei Musikanwendungen funktioniert auch der MIDI-Standard.
Eine Software auf dem Rechner berechnet anschließend die Position von Objekten, die das Touchpad berühren und die dabei angelegte Kraft. Berührt ein Objekt einen Kreuzungsbereich zweier Leitungen, wird dort ein stärkerer Strom gemessen - je weiter weg sich das Objekt von diesen Bereichen befindet, desto schwächer wird er. Grund dafür ist das Widerstandsverhalten der Tinte. Die Prototypen haben dementsprechend bereits eine Genauigkeit, die hoch genug ist, um einen per Stift bedienbaren Tablet-Rechner zu steuern. Bei einer einzelnen Berührung lassen sich Kräfte zwischen fünf Gramm und fünf Kilogramm mit einer Fehlerquote von 2,5 Prozent ermitteln - das ist genug, um eine leichte Berührung eines Stifts von einem Trommeln auf einem digitalen Schlagzeug zu unterscheiden. Perlin meint, dass auch größere Touchpads eine ähnliche Empfindlichkeit erreichen könnten, ohne dass es besonders viel teurer oder komplizierter würde - das funktioniert, weil nur wenige der Leitungen direkt mit Strom versorgt werden müssen.
Noch sind die aktuellen Prototypen undurchsichtig schwarz, so dass sie sich nicht als Touchscreens für Handys oder andere elektronische Geräte eignen. Doch auch ohne Bildschirm könnte ein so präzises und billiges druckempfindliches Interface viele Anwendungen finden, glaubt Perlin.
So haben die beiden Forscher bereits mit Kollegen an verschiedenen medizinischen und wissenschaftlichen Geräten gearbeitet. Denkbar ist beispielsweise die Integration in einen Schuh, um den Gang einer Person zu messen oder der Einbau in Krankenhausbetten, um das Pflegepersonal zu alarmieren, wenn sich ein Patient lange nicht bewegt und dabei Wunden entstehen. könnten Das Touchpad ist sogar empfindlich genug, um Druckwellen in Wasser und Luft festzustellen - dies könnte helfen, bessere Strömungslehremodelle für den Schiffs- und Flugzeugbau zu entwickeln. Heute setzen Forscher dort zahlreiche einzelne Sensoren zum Sammeln dieser Daten ein, weil die Technik zu teuer ist, um große Bereiche abzudecken.
Das Touchpad der NYU-Forscher ist auch für elektronische Geräte interessant. Patrick Baudisch, Forscher am Hasso Plattner-Institut in Potsdam, hat die Technik in den Rücken eines kleinen Computerspiels integriert und damit eine sehr ergonomische Steuerung entwickelt: Nutzer kontrollieren die Figur, ohne ihre Finger auf den Bildschirm legen zu müssen. Rosenberg glaubt außerdem, dass eine andere drucksensible Tinte es erlauben wird, die enthaltenen Leitungen dünner zu gestalten. Dann wäre es möglich, eine transparente Platte zu entwickeln, die sich auch für Touchscreens bei Handys oder PCs eignet.
Andy Wilson, ein Forscher bei Microsoft, der den berührungsempfindlichen Computertisch "Surface" mitentwickelt hat, meint, dass Rosenbergs und Perlins Touchpad deutlich empfindlicher sei als andere resistive Geräte. Dafür würden sich schnell viele interessante Anwendungen ergeben. Die Technologie sei allerdings noch in einer frühen Phase und es sei deshalb schwer zu sagen, wie viel billiger sie gegenüber heutigen Systemen wirklich sei.
Immerhin: Im April starteten Rosenberg und Perlin ein Start-up namens Touchco, das ihre Technologie lizenzieren und anderen Firmen beim Bau solcher Geräte unterstützen soll - seien es nun Handys oder elektronische Bücher. Die Ingenieure der Firma suchen außerdem nach zusätzlichen Anwendungen - etwa die erste elektronische Handtrommel, die sich nur mit Sensoren herstellen lässt, die eine besonders feine Auflösung haben. Die Forscher hoffen, dass ihre dünnen, unaufdringlichen Touchpads eines Tages in nahezu jeder Oberfläche stecken werden.
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