Die neue Technologie, basierend auf Graphen und Flüssigmetall-Kompositen, ermöglicht es Robotern, nicht nur den auf ein Objekt ausgeübten Druck, sondern auch die Richtung der Kräfte, das Gleiten eines Objekts und sogar die Oberflächenrauheit zu erfassen. Besonders wichtig ist, dass all dies in einem so kleinen Maßstab erreicht wird, dass es mit der räumlichen Auflösung menschlicher Fingerspitzen vergleichbar ist.
Flexible taktile Sensoren sind unerlässlich für Anwendungen, die von hochentwickelten Prothesen und tragbaren Haptikgeräten bis hin zu Robotern mit hochpräzisen Händen reichen. Menschliche Finger nutzen verschiedene Arten von Mechanorezeptoren, um gleichzeitig Druck, Scherkräfte, Vibrationen und Textur wahrzunehmen. Diese multidimensionale taktile Wahrnehmung in künstlichen Systemen nachzubilden, war eine große Herausforderung, insbesondere bei Geräten, die für den praktischen Einsatz miniaturisiert und robust sein müssen.

Überwindung der Grenzen aktueller taktiler Sensoren
: „Viele existierende mehrdimensionale taktile Sensoren sind zu sperrig, zu empfindlich oder zu komplex in der Herstellung, oder sie können nicht präzise zwischen Normal- und Tangentialkräften unterscheiden“, erklärte Professor Tawfique Hasan vom Cambridge Graphene Centre und Hauptautor der Studie. „Dies war ein großes Hindernis für eine wirklich präzise Robotermanipulation.“
Um diese Einschränkungen zu überwinden, entwickelte das Team eine neue Klasse anisotroper poröser Elastomere in Kombination mit Graphen.

Ein von der menschlichen Haut inspiriertes Graphen-Flüssigmetall-Material.
Diese weichen, flexiblen Komposite kombinieren Graphenschichten, verformbare Mikrotröpfchen aus Flüssigmetall und magnetisch ausgerichtete Nickelpartikel, eingebettet in eine poröse Siliziummatrix.
Jede Komponente spielt eine Schlüsselrolle:
Graphen bildet flexible Leiterbahnen.
Das Flüssigmetall dient als verformbarer Leiterknoten.
Die durch ein Magnetfeld ausgerichteten Nickelpartikel verleihen dem Material Richtungsempfindlichkeit.
Die poröse Struktur erhöht die Empfindlichkeit zusätzlich, da sich das Material bereits unter minimalen Kräften leicht verformen lässt.
Inspiriert von den Mikrostrukturen der menschlichen Haut formten die Forscher das Material zu mikroskopischen Pyramiden mit einer Größe von teilweise nur 200 Mikrometern. Diese Pyramiden konzentrieren die Spannung an ihren Spitzen, wodurch der Sensor extrem kleine Kräfte erfassen und gleichzeitig einen breiten und hochlinearen Messbereich gewährleisten kann.

Hohe Empfindlichkeit und präzise 3D-Kraftmessung.
Das Ergebnis ist ein taktiler Sensor, der den vollständigen Kraftvektor dreidimensional rekonstruiert und so eine multidimensionale taktile Wahrnehmung mit herausragender Leistung ermöglicht:
Empfindlichkeit bis zu 110 kPa⁻¹,
linearer Bereich von 500 kPa,
Kraftrichtungsfehler von unter 2 Grad und
eine Nachweisgrenze von unter einem Mikronewton – ausreichend, um ein Sandkorn zu erfassen.
Im Vergleich zu bestehenden flexiblen 3D-Kraftsensoren verbessert das neue Gerät sowohl Größe als auch Nachweisgrenze um etwa eine Größenordnung.
Besonders wichtig ist, dass der Sensor zwischen Scherkräften und Normalkräften unterscheiden kann und somit erkennt, wann ein Objekt zu gleiten beginnt. Durch die Messung der Signale von vier Elektroden unterhalb jeder Pyramide kann das System den vollständigen dreidimensionalen Kraftvektor mathematisch in Echtzeit rekonstruieren.

Von feinen Greifern bis hin zu Mikrorobotern und Prothesen:
In praktischen Demonstrationen integrierte das Team die Sensoren in Roboter-Greifer. Die Roboter konnten zerbrechliche Objekte wie hauchdünne Papierröhrchen greifen, ohne sie zu zerdrücken. Anders als herkömmliche Sensoren, die Vorabinformationen über die Objekte benötigen, passt sich das neue System in Echtzeit an, indem es ein Verrutschen erkennt.
Selbst im kleinsten Maßstab konnten Mikrosensor-Arrays Masse, Geometrie und Materialdichte winziger Metallkugeln durch Analyse der dreidimensionalen Kraftverteilung bestimmen.

Dies eröffnet Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen
Mikromanipulation,
minimalinvasive Chirurgie
und Mikrorobotik,
wo herkömmliche Kraftsensoren zu groß sind.

Auswirkungen auf Robotik und Prothetik der Zukunft:
Das Potenzial ist enorm, da die Robotik in Industrie und Gesellschaft immer weiter an Bedeutung gewinnt. Laut der International Federation of Robotics (IFR) wird der globale Markt für Industrierobotik auf rund 12,5 Milliarden Pfund Sterling geschätzt. Ein wichtiger Trend für 2026 ist der zunehmende Einsatz von Robotern zur Bekämpfung des Arbeitskräftemangels.
Fortschritte bei taktilen Sensoren wie diesen könnten es Robotern ermöglichen, in realen Umgebungen sicherer und intelligenter mit Objekten zu interagieren.
Über die Robotik hinaus könnte diese Technologie auch den Bereich der modernen Prothetik revolutionieren. Moderne künstliche Gliedmaßen nutzen zunehmend taktiles Feedback, um den Nutzern ein Tastgefühl zu vermitteln. Miniaturisierte, hochempfindliche 3D-Sensoren könnten natürlichere Interaktionen mit Objekten ermöglichen und so Kontrolle, Sicherheit und das Vertrauen der Nutzer verbessern.

„Unser Ansatz zeigt, dass sperrige mechanische Strukturen und komplexe optische Systeme für eine hochauflösende 3D-Tasterkennung nicht notwendig sind“, erklärte Dr. Guolin Yun, Erstautor der Studie. „Durch die Kombination intelligenter Materialien mit hautähnlichen Strukturen haben wir eine Leistung erzielt, die dem menschlichen Tastsinn bemerkenswert nahekommt.“
Die Forscher gehen davon aus, dass die Sensoren zukünftig noch weiter miniaturisiert werden können, möglicherweise auf unter 50 Mikrometer, wodurch sich die Mechanorezeptordichte der menschlichen Haut annähert. Zukünftige Versionen könnten zudem Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren integrieren und so eine vollständig multimodale künstliche Haut ermöglichen.
Da Roboter zunehmend von kontrollierten Industrieumgebungen in Haushalte, Krankenhäuser und unvorhersehbare Umgebungen vordringen, könnten Fortschritte im Bereich des Tastsinns wie dieser einen tiefgreifenden Wandel bewirken und Maschinen nicht nur das Sehen und Handeln, sondern auch das Fühlen ermöglichen.

Referenzen:

(Open Access) https://www.nature.com/articles/s41563-026-02508-7

https://ifr.org/ifr-press-releases/news/top-5-global-robotics-trends-2026

Quelle: Universität Cambridge