Fraunhofer FHR Intelligente Haut für präzisere Mensch-Roboter-Interaktion

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Roboter müssen bei der Interaktion mit Menschen in der Lage sein, menschliche Handlungen vorherzusehen und Absichten zu erkennen. Fraunhofer-Forscher entwickeln hierfür eine intelligente Roboter-Haut.

Physische Mensch-Roboter-Interaktionen kommen vermehrt in der Fertigungsindustrie, im professionellen Dienstleistungssektor und im Gesundheitswesen zum Einsatz. Dies erfordert eine Verbesserung der Kommunikation zwischen Mensch und Maschine: Roboter müssen in der Lage sein, menschliche Handlungen vorherzusehen und Absichten zu erkennen. Das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik (FHR) entwickelt gemeinsam mit sechs Partnern im EU-Projekt FITNESS eine Oberfläche, die einen Roboter wie eine adaptive, intelligente Haut umspannt und die Umgebung künftig besser erfassen soll.

Das EU-Projekt FITNESS (Flexible IntelligenT NEarfield Sensing Skins) soll die Kommunikation und Interaktion zwischen Mensch und Maschine mithilfe von intelligenten Antennenlösungen in Form von neuartigen, sogenannten elektromagnetischen Meta-Materialoberflächen mit integrierter Elektronik optimieren. Die flexiblen und dehnbaren Metasurface-Antennen, die sich dazu eignen, Oberflächenwellen zu emittieren, sollen die nähere Umgebung deutlich besser abtasten können als herkömmliche Antennen und dadurch die menschliche Sicherheit sowie die Performance der Roboter steigern.

Antennen-Haut für die Mensch-Roboter-Interaktion

Bei Metasurface-Antennen handelt es sich um flächige, in folienförmige Substrate integrierte Antennen, die sich der Kontur des Roboters anpassen. Aufgrund ihrer flachen Struktur lassen sich diese Antennen biegen und dehnen und wie eine Haut um den Roboter legen. Alternativ und in Abhängigkeit der Anwendung können sie bei-pielsweise auch nur am Roboterarm angebracht werden. Sie werden daher auch als Smart Skins oder intelligente Haut bezeichnet.

 „Unsere künftige Antennenlösung zeichnet sich dadurch aus, dass sie sowohl die nähere Umgebung abtasten sowie Bewegung detektieren kann und zugleich eine funkbasierte Kommunikation mit der Basisstation in der Industriehalle beherrscht“, erklärt Andrej Konforta, Gruppenleiter 3D-Druck HF-Systeme am Fraunhofer FHR. Eine derartige Lösung biete der Markt bislang nicht.

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Die neuartige und innovative Antennenlösung soll das Beamforming – ein Verfahren zur Positionsbestimmung von Schallquellen in Wellenfeldern – ermöglichen, sodass der verstellbare elektromagnetische Strahl jederzeit zur Basisstation blickt, was ein stärkeres, stabileres Signal garantiert und eine erhöhte Reichweite zur Folge hat.

Bisher unterstützen sogenannte Phased Arrays das Beamforming. „Dabei werden viele Antennen in einer Gruppe verschaltet. Die Phase jedes einzelnen Antennenelements ist variabel, wodurch sich die Blickrichtung der Gruppenantenne beeinflussen lässt“, erklärt der Fraunhofer-Forscher die Technologie, die bislang überwiegend im militärischen Kontext zum Einsatz kommt. In konventionellen Gruppenantennen sind die Antennenelemente und deren Elektronik eng platziert. Das Resultat: Hohe Kosten, viel Abfuhrwärme und hohe Fehleranfälligkeit. Metasurface-Antennen hingegen könnten mit weitaus weniger Elektronik aufgebaut werden – ohne Verlust der Eigenschaften der konventionellen Aufbauweise. 

Neue Antennen-Substrate

Üblicherweise werden Antennen in starre Mikrowellen-Substrate integriert. Alternativ existieren Materialien, welche sich auch dehnen lassen und damit eine hohe Flexibilität aufweisen. Allerdings haben diese flexiblen Substrate zu hohe Verluste, sie erzielen im Hochfrequenzbereich keine optimale Leistung, wie die von den Fraunhofer FHR-Forschenden entwickelte Messtechnik ergab. Daher eignen sich die herkömmlichen, am Markt verfügbaren Substrate nicht optimal für die Übertragung von Hochfrequenzsignalen. 

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Basierend auf den vom Fraunhofer FHR erzielten Ergebnissen werden beim Projektpartner Technische Universität Hamburg (TUHH) im Rahmen von FITNESS neue Substrate entwickelt – das Institut für Angewandte Polymerphysik (IAPP) synthetisiert dehnbare und potenziell hochfrequenztaugliche Materialien, wobei man auf einen Mix an Polymeren sowie auf Polymere mit keramischen Fremdpartikeln setzt. Diese werden im Projektverlauf vom Fraunhofer FHR getestet. 

Breites Anwendungsspektrum

Neben der Robotik im Produktionsumfeld bieten sich aus Sicht der Projektpartner auch die Medizintechnik und -robotik als Anwendungsfelder an: Hier könnten Metasurface-Antennen als intelligente Haut dazu beitragen, dass Geräte wie etwa Assistenzroboter Gesten besser erkennen und stärker mit Menschen interagieren. Auch in die Schutzausrüstung der Feuerwehr oder in Raumfahrtanzüge sind Einsätze der Technologie denkbar.