Wird die dünne Polymerfolie in den Handschuh eines Montagearbeiters integriert oder auf einem Bildschirm platziert, fungiert sie als interaktiver Vermittler. Sie signalisiert dem Computersystem die Wünsche des Benutzers und gibt ihm gleichzeitig taktiles Feedback in Form von Impulsen, Vibrationen oder Berührungen sowie akustisches Feedback.

Ob Controller, Tastatur oder Maus – zur Kommunikation mit einem Computer drücken wir üblicherweise Tasten. Dies schränkt unsere Kommunikation in virtuellen Umgebungen ein und lässt die Interaktion weniger natürlich wirken als die direkte Kommunikation zwischen zwei Menschen. Bei der Interaktion mit Computern konzentrieren wir uns darauf, die richtige Taste auf unserem Eingabegerät zu finden. Computer können unsere Gesten oder Fingerbewegungen in der Regel nicht verstehen, sofern keine speziellen Sensoren, Kameras oder andere Bewegungserfassungstechnologien eingesetzt werden.

Die neue Technologie von Stefan Seelecke und seinem Team benötigt jedoch keine zusätzlichen Werkzeuge, Sensoren oder Kameras: Sie verwendet lediglich eine einfache Polymerfolie, die dem Computer ein neues Sinnesorgan verleiht. Die Folie dient im Wesentlichen als Medium für Interaktion und spontane Kommunikation zwischen Mensch und Maschine. Die von uns verwendeten Folien sind nur etwa 50 Mikrometer dick (1 Mikrometer = 1 Tausendstel Millimeter), wodurch sie sehr dünn und leicht sind. Die Folien sind sofort einsatzbereit und benötigen keine zusätzliche Technologie, um in flexible, elastisch verformbare Sensoren und/oder Aktoren verwandelt zu werden: Sie sind im Grunde eine Art Mikromotor“, erklärt Stefan Seelecke, Professor für Intelligente Materialsysteme an der Universität des Saarlandes, der zusammen mit seinem Forschungsteam diese intelligenten Polymerfolien am ZeMA (Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik) in Saarbrücken untersucht. In der Praxis bedeutet dies, dass die Folie, sobald sie auf eine Textiloberfläche oder ein anderes Objekt aufgebracht wird, Informationen an einen Computer liefern kann. Sie gibt dem Benutzer Feedback in Form von haptischen Signalen (Impulsen, Vibrationen oder Druckbewegungen) oder akustischen Signalen (Tönen).

Das Spektrum potenzieller Anwendungen für diese intelligenten Textilien oder Oberflächen ist immens. Beispielsweise würde ein mit der Folie ausgestatteter Gaming- oder Industriehandschuh dem Benutzer die virtuelle Kommunikation über die Hand ermöglichen – eines der wichtigsten Kommunikationsmittel des Menschen. Giacomo Morretti und Sebastian Gratz-Kelly, zwei Forscher am ZeMA, haben einen Industriehandschuh mit der Folie ausgestattet, und der Handschuh kann dem Computersystem nun mitteilen, wie der Benutzer seine Hand bewegt. In einer virtuellen Industrie-4.0-Umgebung könnte der intelligente Handschuh mithilfe von Gestenerkennung die Auswahl einer Komponente für die Installation erleichtern oder die Messung der Griffkraft unterstützen, um den Bediener beim Festziehen von Schrauben zu unterstützen. Der Handschuh könnte den Benutzer auch akustisch warnen, wenn während des Montageprozesses ein Fehler aufgetreten ist. Der Bediener könnte zudem verschiedene Prozesse einfach durch Gesten oder Handbewegungen steuern. Es bedarf keiner großen Vorstellungskraft, um zu erkennen, dass die Kombination von intelligenten Handschuhen und Textilien mit einem Virtual-Reality-Headset eine deutlich intuitivere und realistischere Interaktion in Spielen und virtuellen Arbeitsumgebungen ermöglicht als mit einem Videospiel-Controller.

Eine weitere vielversprechende Anwendung ist die Integration der Folie in die Kleidung von Kindern in Isolierstationen von Krankenhäusern, um ihnen den physischen Kontakt zu ihren Eltern zu ermöglichen. Ein mit der intelligenten Folie ausgestatteter Pullover könnte als zweite Haut fungieren und dem Kind Umarmungen und Streicheleinheiten vermitteln, wenn Mutter oder Vater ein zweites intelligentes Textil streicheln. Diese neueste Anwendung ist Teil des EFRE-Projekts „Multi-Immerse“ des Saarländischen Zentrums für Digitale Neurotechnologien (CDNS). Das Seelecke-Team arbeitet an dem Projekt mit einer Forschungsgruppe unter der Leitung von Professorin Martina zusammen. Martina Lehser (htwsaar/ZeMA), Professor Daniel Strauss und Professor Michael Zemlin (Homburg/Saar Medical School). „Wir möchten Kindern in Isolierstationen und ihren Eltern die Möglichkeit geben, sich in einem sicheren virtuellen Raum zu treffen und miteinander zu interagieren. Unser Ziel ist es, eine realistische und emotional ansprechende Umgebung zu schaffen, in der Kind und Eltern virtuell mit Sehen, Hören und vor allem Tasten interagieren können“, erklärt Martina Lehser.

„Aus ingenieurtechnischer Sicht handelt es sich bei der Folie um ein dielektrisches Elastomer, das die Kombination von Sensor-, Aktor- und Akustikfunktionen ermöglicht“, erklärt Paul Motzki, interinstitutioneller Professor für intelligente Materialsysteme für innovative Produktion an der Universität des Saarlandes und ZeMA, wo er den Forschungsbereich „Intelligente Materialsysteme“ leitet. „Die Silikonpolymerfolie ist beidseitig mit einem elektrisch leitfähigen Material bedruckt, das auf Änderungen elektrischer Felder reagiert und einen extrem niedrigen Stromverbrauch aufweist. Wird eine Spannung an die Folie angelegt, bewirken die entstehenden elektrostatischen Anziehungskräfte eine Kompression. Durch die Kompression dehnt sich die Folie seitlich aus und vergrößert ihre Oberfläche, wodurch sich wiederum ihre elektrische Kapazität ändert“, erklärt Motzki. „Wir können jeder bestimmten Position auf der Folie einen präzisen Wert für die elektrische Kapazität zuordnen.“ Dadurch erhält die Folie Sensoreigenschaften, ohne dass zusätzliche Technologie erforderlich ist. Bewegt sich die Hand mit den Fingern im Handschuh, verformt, dehnt, verlängert oder komprimiert sich die Folie und erzeugt so eine Vielzahl einzelner Messwerte. „Wir haben intelligente Algorithmen entwickelt, mit denen wir diese Bewegungssequenzen quantifizieren und anschließend am Computer verarbeiten können“, erklärt Sebastian Gratz-Kelly, der im Rahmen seiner Doktorarbeit intelligente Textilien erforscht.

Die Algorithmen ermöglichen es dem Forschungsteam außerdem, die Bewegung der Silikonfolie präzise zu steuern. „Die erzeugbaren Bewegungen reichen von hochfrequenten Vibrationen bis hin zu langsamen pulsierenden oder flexiblen Bewegungen. Wir können die Folie auch in einer bestimmten Position fixieren.“ „Art und Frequenz der Vibrationen lassen sich sehr genau steuern“, erklärt Sophie Nalbach. Dadurch kann das Team die Folie so steuern, dass sie sich verformt und gegen den Finger des Nutzers drückt. Die schnelle Biegung der Folie unter der Fingerspitze kann das Gefühl erzeugen, als würde ein kleiner Schiebeknopf angehoben oder ein leichter Druck, wie beim Betätigen eines Schalters. Die Folie kann auch einzelne Töne oder sogar mehrere Töne erzeugen, wenn sich mehrere Vibrationsfrequenzen überlagern.