Künstlicher Tastsinn: KI-Finger ertastet Materialien zu 90 Prozent richtig

Ein künstlicher Finger chinesischer Wissenschaftler ertastet verschiedene Materialien. Dafür nutzen sie den triboelektrischen Effekt.

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Der künstliche Finger hat Holz ertastet.

(Bild: Chinese Academy of Sciences)

Von
  • Oliver Bünte

Ein Forscherteam der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat einen künstlichen Finger entwickelt, der Oberflächenstrukturen und -materialien mit einer Genauigkeit von mindestens 90 Prozent erkennen kann. Dazu nutzten die Forscher triboelektrische Sensoren in Kombination mit maschinellem Lernen, um die taktil erfassten Daten auszuwerten. Mit seiner hohen Erkennungsleistung übertrifft der künstliche Finger die menschliche taktile Wahrnehmung, sagen die Forscher.

Künstliche Finger können zwar physikalische Reize recht genau messen, allerdings bleibt es für sie eine Herausforderung, die Textur einer Oberfläche zu bestimmen und daraus das Material abzuleiten. Der Mensch wertet die taktilen Reize mit seinem Gehirn aus, erkennt Oberflächenstrukturen und verbindet sie mit dem entsprechenden Material. Das Forscherteam beschreibt in ihrem in Science Advances veröffentlichten Paper "Artificial tactile perception smart finger for material identification based on triboelectric sensing", wie sie diesen Vorgang künstlich nachbilden.

Die Wissenschaftler machen sich demnach den triboelektrischen Effekt zunutze. Reiben zwei Materialien aneinander, so laden sie sich in Abhängigkeit ihrer Dielektrizitätskonstanten auf. Die Dielektrizitätskonstante definiert die Oberflächenladungsdichte des jeweiligen Materials, also die Anzahl der Ladung pro Fläche und ihre Verteilung. Diese triboelektrischen Signale können gemessen und jeweiligen Materialien zugeordnet werden.

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Dazu hat das Forscherteam seinen künstlichen Finger mit einem Array aus quadratischen Sensoren ausgestattet. Jeder Sensor besteht aus einem bestimmten Kunststoffpolymer, das nach seinen spezifischen elektrischen Eigenschaften ausgewählt wurde.

Fährt der künstliche Finger über eine Oberfläche, so werden die Signale der einzelnen Sensoren an jeweils einen eigenen Prozessor geleitet. Die Daten werden auf Basis maschinellen Lernens verglichen, ausgewertet und dem Finger zunächst das ertastete Material beigebracht. Danach erkennt der Finger das Material und zeigt es auf einem OLED-Display an.

Das Wissenschaftsteam testete den künstlichen Finger mit unterschiedlichen Materialien wie Holz, Glas, Kunststoff und Silikon. Dabei erreichte er eine durchschnittliche Erkennungsrate von 96,8 Prozent, heißt es in dem wissenschaftlichen Paper, mindestens aber 90 Prozent bei allen Oberflächen. Zusätzlich ließen sie den Finger mehrere tausendmal über verschiedene Materialien reiben, um die Standfestigkeit der Sensoren und mögliche Auswirkungen auf die Erkennungsleistung zu überprüfen. Demnach zeigte sich der Finger robust, sodass die Forscher davon ausgehen, dass er auch industriellen Anforderungen genügt.

Das Anwendungsgebiet für einen solchen Finger ist groß. So könnte er in der Industrie in der Qualitätskontrolle eingesetzt werden. Möglich ist auch der Einsatz in humanoiden Robotern, die damit einen Tastsinn erhalten. Auch im medizinischen Bereich ist der Einsatz des KI-Fingers denkbar, etwa in Prothesen. Menschen, die ihren Tastsinn eingebüßt haben, könnten ihn so in gewissem Umfang wiedererlangen, schreibt das Forscherteam.

(olb)