Hannover Messe: Virtueller Hautkontakt – Smarte Textilien machen Berührungen spürbar

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Smarte Textilien sollen ermöglichen, auch vom Körpergefühl her in die
virtuelle Realität einzutauchen und Berührungen am eigenen Leib zu spüren.
Eine hauchdünne Folie, die Berührungsempfindungen übertragen kann, macht
dabei Stoffe zur zweiten, virtuellen Haut. Schwer kranken Kindern in
Isolierstationen soll sie die Körpernähe ihrer Eltern bei
computersimulierten Besuchen spürbar machen: Sie soll ihr Streicheln
fühlbar übertragen. Das Team der Professoren Stefan Seelecke und Paul
Motzki von der Universität des Saarlandes stellt die Technologie hinter
den smarten Textilien vom 22. bis 26. April auf der Hannover Messe vor
(Halle 2 Stand B10).

Die Hand auf der Schulter, ein Streicheln am Arm, eine Umarmung: Solche
Berührungen beruhigen, trösten, vermitteln Sicherheit, Geborgenheit und
Nähe. Geben die Nervenzellen der Haut solche Reize weiter, werden
blitzschnell viele Hirnbereiche aktiv und fachen die körpereigene
Biochemie an. Hormone und andere Botenstoffe werden ausgeschüttet,
darunter Oxytocin, das Wohlgefühl und Bindung entstehen lässt.
Videokonferenzen dagegen lassen uns eher kalt, Geborgenheit und Nähe sind
kaum zu spüren – es fehlt das Körperliche. Aber was, wenn Nähe wichtig
ist, wenn Kinder schwer krank sind, aber die Eltern nicht zu ihnen können?
Wenn Körperkontakt wegen eines geschwächten Immunsystems nicht sein darf?

Damit Kinder in Isolierstationen die Körpernähe ihrer Eltern auch bei
virtuellen Besuchen spüren und möglichst realitätsnah in dieses Erlebnis
eintauchen können, arbeitet an der Universität des Saarlandes, an der
Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes (htw saar), am
Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA) und am
Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) ein
Forschungsteam über die Fachgrenzen hinweg zusammen. An der Schnittstelle
von Ingenieurwissenschaft, Neurotechnologie, Medizin und Informatik
entwickeln die Forscherinnen und Forscher im Projekt „Multi-Immerse“ eine
virtuelle Begegnung, die alle Sinne ansprechen soll. „Immerse“ steht dabei
für „Eintauchen“, für eine intensive Sinneswahrnehmung. Die jungen
Patientinnen und Patienten sollen über neue Technologien ihre Eltern und
Geschwister möglichst realitätsnah sehen, hören, fühlen und trotz der
räumlichen Trennung dennoch ihre intensive Nähe spüren.

Für das Fühlen und die taktile Wahrnehmung zuständig ist dabei die
Forschungsgruppe der Professoren Stefan Seelecke und Paul Motzki an der
Universität des Saarlandes und am Saarbrücker ZeMA: Sie sind Spezialisten
darin, Oberflächen mithilfe leichter Silikonfolien neuartige Fähigkeiten
zu verleihen. Die Ingenieurinnen und Ingenieure machen die gerade mal 50
Mikrometer dünnen Folien zu einer zweiten Haut: Wie die Haut Schnittstelle
des menschlichen Körpers zu seiner realen Außenwelt ist, soll die Folie
seine Schnittstelle zur virtuellen Welt werden. Damit soll eine neue
Körperwahrnehmung in der fiktiven Realität entstehen.

In einem Textil eingearbeitet, sollen die Folien die Berührungen auf die
Haut des Kindes übertragen, die entstehen, wenn Mutter oder Vater
andernorts über ein zweites smartes Textil streichen. „Wir nutzen dabei
die Folien, sogenannte dielektrische Elastomere, als Sensoren, um die
Berührungsbewegungen zu erfassen, und zugleich auch als Aktoren, also
Antriebe, um diese Bewegungen weiterzugeben“, erklärt Stefan Seelecke,
Professor für intelligente Materialsysteme. Die Folie erkennt als Sensor
wie genau Hand und Finger die Folie beim Darüberstreichen eindrücken,
eindellen und dehnen. Exakt diese Deformation, die durch die
Berührungsbewegungen entsteht, imitiert die Folie in einem zweiten Textil
auf der Haut des Kindes, um so etwa auf dem Arm den Eindruck eines
Darüberstreichens zu vermitteln.

„Die Ober- und Unterseite der Folie sind mit einer leitfähigen,
hochdehnbaren Elektrodenschicht bedruckt. Wenn wir hieran eine elektrische
Spannung anlegen, ziehen sich die Elektroden durch die elektrostatische
Anziehung an und stauchen die Folie, die zur Seite ausweicht und dabei
ihre Fläche vergrößert“, erklärt Professor Paul Motzki die Technologie,
der die Brückenprofessur „Smarte Materialsysteme für innovative
Produktion“ zwischen Universität des Saarlandes und ZeMA innehat. Bei
jeder kleinsten Bewegung ändert sich hierbei die elektrische Kapazität der
Folie: eine physikalische Größe, die gemessen werden kann. Streicht also
ein Finger über die Folie, verformt er diese und jeder einzelnen Stellung
lässt sich ein exakter Messwert der elektrischen Kapazität zuordnen: Eine
bestimmte Zahl beschreibt eine ganz bestimmte Stellung der Folie. Eine
Abfolge dieser einzelnen Messwerte setzt einen Bewegungsablauf in Gang.
Die Folie ist damit ihr eigener dehnbarer Sensor, der selbst erkennt, wie
sie verformt wird.

Mit den Messwerten der einzelnen Verformungen können die Forscher etwa
Streichelbewegungen durch das smarte Textil auf den Arm des Kindes
übertragen. Sie können die Folie auch gezielt ansteuern. Durch
intelligente Algorithmen lassen sich in einer Regelungseinheit
Bewegungsabläufe vorausberechnen und programmieren. „Wir können die Folie
stufenlos Hubbewegungen vollführen lassen, so dass es sich wie
ansteigender Druck anfühlt oder auch eine bestimmte Position halten“,
erklärt Doktorandin Sipontina Croce, die im Projekt forscht. Aber auch
Klopfbewegungen sind möglich. Frequenz und Schwingungen können die
Forscherinnen und Forscher beliebig verändern.

Auf der Hannover Messe demonstriert das Team seine Technologie mit einer
„Uhr“, auf deren Rückseite eine smarte Folie angebracht ist. „Wir können
mehrere solcher smarter Bausteine aneinanderreihen, so dass zum Beispiel
eine lange Streichbewegung übertragen werden kann. Hierzu vernetzen wir
diese Bausteine, so dass sie wie ein Schwarm untereinander kommunizieren
und kooperieren“, erklärt Paul Motzki.

Das Verfahren ist günstig, leicht, geräuschlos und energieeffizient. Die
Folientechnologie kann auch bei Computerspielen das Spielerlebnis durch
eine realistische Körperwahrnehmung intensiver machen. In anderen
Projekten kleiden die Ingenieure mit ihren Folien Arbeitshandschuhe für
die Industrie 4.0 aus oder lassen den Eindruck von Knopfkanten entstehen,
so dass aus dem Nichts heraus Tasten oder Schieberegler spürbar werden,
wodurch sie Bedienoberflächen nutzerfreundlicher machen.

Auf der Hannover Messe zeigen die Saarbrücker Expertinnen und Experten für
intelligente Materialsysteme weitere Entwicklungen mit dielektrischen
Elastomeren: so zum Beispiel weitere smarte Textilien wie sensorische
Shirts oder Schuhsohlen, auch Pumpen und Vakuumpumpen sowie
Hochleistungsaktoren.

Hintergrund:
Im Rahmen des EFRE-Projektes „Multi-Immerse“, das Professorin Martina
Lehser (Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes htw
saar/ZeMA) leitet, arbeiten am Center for Digital Neurotechnologies Saar
(CDNS) auf dem Medizin-Campus Homburg die Universität des Saarlandes, die
htw saar und das Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik
(ZeMA) zusammen. Außer Professorin Martina Lehser und den Professoren
Stefan Seelecke und Paul Motzki sind beteiligt von der Medizinischen
Fakultät der Universität des Saarlandes Professor Daniel Strauss (Direktor
der Systems Neuroscience & Neurotechnology Unit), Professor Michael Zemlin
(Direktor der Universitätskinderklinik), Professorin Eva Möhler
(Direktorin der Universitätsklinik für Kinder- und Jugendpsychatrie) sowie
Informatiker der Universität des Saarlandes (Professor Jürgen Steimle) und
des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI).

An der Technologie der dielektrischen Elastomere forschen im Team der
Professoren Stefan Seelecke und Paul Motzki auch viele Nachwuchs-
Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler im Rahmen mehrerer
Doktorarbeiten. Sie ist Gegenstand zahlreicher Veröffentlichungen in
Fachzeitschriften und wurde in mehreren Forschungsprojekten gefördert:
unter anderem von der EU im Rahmen eines Marie-Curie Research Fellowships,
von der saarländischen Landesregierung im Rahmen der EFRE-Projekte iSMAT
und Multi-Immerse sowie unter anderem auch durch die MESaar im Rahmen
eines Promotionskollegs. Die Forscher wollen die Ergebnisse ihrer
anwendungsorientierten Forschung in die Industriepraxis bringen. Hierzu
haben sie aus dem Lehrstuhl heraus die Firma mateligent GmbH gegründet.