Eine Hand auf der Schulter, eine sanfte Berührung des Arms oder eine einfache Umarmung. Menschliche Berührung kann Ruhe, Geborgenheit und Nähe schenken – ein Gefühl von Sicherheit und Schutz. Werden die Nervenzellen unserer Haut durch Berührung stimuliert, werden zahlreiche Bereiche unseres Gehirns aktiviert, was unmittelbare Veränderungen in der Körperchemie auslöst. Hormone und Signalmoleküle, darunter Oxytocin, werden freigesetzt, das ein Gefühl von Wohlbefinden und Verbundenheit erzeugt. Videogespräche hingegen lassen uns oft kalt. Uns fehlt die Nähe und die emotionale Verbindung, die persönliche Begegnungen schaffen. Doch was geschieht, wenn körperliche Nähe unerlässlich ist, wenn Kinder schwer krank sind, ihre Eltern sie aber nicht besuchen können? Und was ist, wenn körperlicher Kontakt aufgrund eines geschwächten Immunsystems nicht möglich ist?
Ein interdisziplinäres Forschungsteam der Universität des Saarlandes, der htw saar Hochschule für Technik, des Zentrums für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA) und des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) arbeitet an einer Technologie, die es Kindern auf Isolierstationen ermöglicht, die körperliche Nähe ihrer Eltern während virtueller Besuche auf ganz natürliche Weise zu erleben. Das Projekt „Multi-Immerse“ liegt an der Schnittstelle von Ingenieurwesen, Neurotechnologie, Medizin und Informatik. Das Forschungsteam entwickelt Methoden, um multisensorische virtuelle Begegnungen zwischen Menschen zu ermöglichen. Ziel ist die Entwicklung einer neuen Technologie, die es jungen Patienten erlaubt, ihre Eltern und Geschwister so realistisch wie möglich zu sehen, zu hören und zu fühlen, sodass die Kinder auch bei räumlicher Trennung ein starkes Gefühl enger körperlicher Nähe erleben.
Die Forschungsgruppe um Professor Stefan Seelecke und Professor Paul Motzki von der Universität des Saarlandes und dem ZeMA in Saarbrücken ist für den taktilen Aspekt des Projekts und die Entwicklung technischer Systeme verantwortlich, die ein realistisches Tastgefühl vermitteln. Die Ingenieure in Saarbrücken sind Experten in der Anwendung dünner Silikonfilme, um Oberflächen neue Funktionen zu verleihen. Sie haben nur 50 Mikrometer dicke Filme entwickelt, die wie eine zweite Haut getragen werden können. So wie unsere Haut die Schnittstelle zwischen unserem Körper und der Außenwelt bildet, sind diese ultradünnen Filme die Schnittstelle zwischen dem Körper und der virtuellen Welt. Ziel ist es, durch Interaktionen zwischen Menschen in einer virtuellen Umgebung ein realistisches Tastgefühl zu erzeugen.
In Textilien integriert, ermöglichen diese Hightech-Filme einem Kind, Berührungen zu erleben, wenn ein Elternteil ein zweites, intelligentes Textil an anderer Stelle streichelt. „Die Folien, sogenannte dielektrische Elastomere, fungieren sowohl als Sensoren – sie erkennen Berührungen von Mutter oder Vater – als auch als Aktoren – sie übertragen diese Bewegungen auf das Kind“, erklärt Professor Seelecke, Leiter des Labors für Intelligente Materialsysteme an der Universität des Saarlandes. Als Sensor erkennt die Folie präzise, wie eine Hand oder ein Finger sie drückt oder dehnt. Diese durch die Hand der Eltern verursachte physikalische Verformung wird exakt in einer zweiten Gewebeschicht reproduziert, die mit der Haut des Kindes in Kontakt steht und ihm beispielsweise das realistische Gefühl des Streichelns vermittelt.
Auf jede Seite der ultradünnen Folie wird eine hochflexible, elektrisch leitfähige Schicht gedruckt, um ein sogenanntes dielektrisches Elastomer zu erzeugen. „Legt man eine Spannung an die Elastomerfolie an, ziehen sich die Elektroden an, komprimieren das Polymer und dehnen es seitlich aus, wodurch sich seine Oberfläche vergrößert“, erklärt Professor Paul Motzki, Inhaber des interinstitutionellen Lehrstuhls für Intelligente Materialsysteme für innovative Produktion an der Universität des Saarlandes und ZeMA. Die geringste Bewegung der Folie verändert ihre elektrische Kapazität, eine physikalische Größe, die präzise gemessen werden kann. Wenn ein Finger über die Folie streicht, … Die Folie verformt sich, und jeder einzelnen Position der Folie kann ein exakter elektrischer Kapazitätswert zugeordnet werden. Eine Sequenz dieser gemessenen Kapazitätswerte repräsentiert den Weg, den der Finger bei seiner Bewegung zurücklegt. Die Folie fungiert somit als flexibler Sensor, der seine Verformung erkennt.
Durch das Verständnis des Zusammenhangs zwischen Kapazitätswerten und Verformungen von Elastomerfolien können Forscher mithilfe intelligenter Textilien die Streichbewegungen der Elternhand auf den Arm eines Kindes übertragen. Das Forschungsteam kann die Bewegung der Elastomerfolie präzise steuern. Durch die Kombination von Kapazitätsdaten mit intelligenten Algorithmen hat das Team eine Steuereinheit entwickelt, die Bewegungsabläufe vorhersagen und programmieren kann und so die Verformung der Elastomerfolie exakt kontrolliert. „Wir können die Folie kontrollierten Biegebewegungen aussetzen, um den Druck auf die Haut kontinuierlich zu erhöhen, oder sie in einer festen Position halten“, erklärt Doktorandin Sipontina Croce, die im Rahmen des Projekts an ihrer Dissertation arbeitet. Auch Klopfbewegungen mit einer bestimmten Frequenz sind möglich. Amplitude und Frequenz der Bewegung lassen sich präzise regulieren.
Auf der diesjährigen Hannover Messe präsentiert das Team seine Technologie anhand einer Uhr, deren Rückseite mit einer intelligenten Folie versehen ist. „Wir können Ketten dieser intelligenten Komponenten erstellen, sodass sie lange, streichende Bewegungen übertragen können. Dazu verbinden wir die Komponenten miteinander, sodass sie innerhalb eines Netzwerks kommunizieren und kooperieren können“, erklärt Paul Motzki.
Diese intelligente Textiltechnologie ist kostengünstig, leicht, geräuscharm und energieeffizient. Durch die Integration eines haptischen Elements in Computerspiele kann die neuartige Elastomerfolientechnologie das Spielerlebnis realistischer gestalten. In verwandten Projekten haben Ingenieure ihre Technologie genutzt, um interaktive Handschuhe für zukünftige industrielle Produktionsprozesse zu entwickeln oder die Haptik eines Touch-Buttons oder Wischgesten auf flachen Glasbildschirmen zu erzeugen und so die Touchscreen-Interaktion um eine völlig neue Dimension zu erweitern.
Auf der diesjährigen Hannover Messe präsentieren die Experten für intelligente Materialien aus Saarbrücken weitere Entwicklungen mit dielektrischen Elastomeren, darunter sensorische T-Shirts oder Schuhsohlen sowie industrielle Komponenten wie Hochleistungspumpen, Vakuumpumpen und Aktuatoren.
Hintergrund:
Das FEDER-Projekt „Multi-Immerse“ unter der Leitung von Professorin Martina Lehser (Hochschule Saar htw saar / ZeMA) ist eine Kooperation zwischen dem Saarland Center for Digital Neurotechnologies (CDNS) am Universitätsklinikum Homburg (htw saar) und dem Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA). Neben Professorin Martina Lehser und den Professoren Stefan Seelecke und Paul Motzki forschen auch Professor Daniel Strauss (Leiter der Arbeitsgruppe Systemneurowissenschaften und Neurotechnologie), Professor Michael Zemlin (Direktor der Universitätskinderklinik des Saarlandes), Professorin Eva Möhler (Leiterin der Klinik für Kinder- und Jugendpsychiatrie am Universitätsklinikum des Saarlandes) sowie Informatiker der Universität des Saarlandes (Professor Jürgen Steimle) und des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI).
Die Technologie dielektrischer Elastomere wird von Doktoranden im Rahmen ihrer Dissertationsprojekte unter der Betreuung von Professor Seelecke und Professor Motzki kontinuierlich weiterentwickelt. Die Ergebnisse wurden in verschiedenen Fachzeitschriften veröffentlicht. Die Forschung wurde zudem von zahlreichen Institutionen gefördert. Die EU vergab ein Marie-Curie-Forschungsstipendium. Die saarländische Regierung unterstützte das Projekt finanziell über die FEDER-Projekte iSMAT und Multi-Immerse, und ME Saar (Verband der Metallurgischen und Elektrotechnischen Industrie des Saarlandes) finanzierte ein Promotionsprogramm.
Das Team strebt außerdem an, die Ergebnisse seiner angewandten Forschung für kommerzielle und industrielle Anwendungen zu nutzen. Aus diesem Grund wurde die Firma „mateligent GmbH“ aus dem Institut von Professor Seelecke hervorgegangen.
