27 Jun Roboter-Rochen mit Sensorhaut
Ein Unterwasserroboter, der so wendig und beweglich ist wie ein Mantarochen, soll zukünftig mittels vernetzter Sensoren in seinen Flügelflächen Informationen aus der Umgebung erhalten. So soll er den Umgebungsdruck messen können, was die Metalldetektion von Objekten auf dem Meeresboden ermöglicht, selbst wenn diese leicht vergraben sind. Ein deutsches Forschungskonsortium unter Beteiligung des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM entwickelt das autonome Unterwasser-Vehikel (AUV). Roboter-Mantas gibt es schon seit einigen Jahren, aber noch nicht so smart, dass sie beispielsweise gefährdete Spezialtaucher ablösen konnten, die vor dem Ausbau eines Offshore-Windparks oder interkontinentaler Leitungen für mehrere Stunden den Meeresgrund nach versunkener hochexplosiver Restmunition aus dem Ersten und Zweiten Weltkrieg oder anderen Metallen absuchen.
Vom Wasser aufs Land
Aber nicht nur unter Wasser sollen die neuen Roboter das Bauen sicherer machen: Für ein zweites Anwendungsszenario übertragen die Forschenden die Sensorplattform auf einen Bodenroboter namens Dachs. Auch dieser soll durch GPS-Systeme gesteuert und mit Ground Penetrating Radars ausgestattet unterirdische Metallstrukturen detektieren und Landvermessungen wie teilautonome Geo-Exploration in schwer zugänglichen Bereichen wie Überwachung im Tunnelbau durchführen.
Vernetzte Sensorik im Textilverbund
Technisch funktioniert das so: Den Robotern wird eine textile, feuchtedurchlässige und damit druckneutrale Haut verpasst, die darin integrierte Mikroelektronik ermöglicht wiederum die Funktionen von Berührungs-, Positionierungs-, Strömungs- und Bewegungssensorik. Diese Textilhaut wird wie ein Strumpf über die Flügel des Roboters gezogen, sodass diese empfindlich werden. Die Forschungsteams am Fraunhofer IZM sind dabei für die elektronische Hardware zuständig: Sie bauen unterwasserfeste Sensorknoten auf, die die vom Manta gesammelten Daten vorverarbeiten. Diese Sensorknoten müssen nicht nur funktional, sondern auch extrem miniaturisiert sein, um direkt unter der dünnen Textilhaut angebracht und mit elektrischen Leitungen versehen zu werden. Im laufenden Betrieb messen die Sensoren dann Größen wie Beschleunigung, Druck und Feuchtedurchlässigkeit. Zudem haben die Forschenden LEDs im Leiterplattendesign integriert: Durch Aktivieren der Lämpchen kann der Roboter künftig unter Wasser mit Tauchern kommunizieren und beispielsweise durch Blinken zeigen, dass er in Kürze die Richtung wechselt.
Die textile Haut ist mit smarten Sensoren ausgestattet. Auf diesem Stück Sensorhaut sind vier Module mit Gehäuse und Connectorboard über ein vieradriges Kabel mittels eines Bussystems verbunden. Zudem ist ein Touch-Pad für die Kommunikation von Taucher und Manta integriert. Bild: Fraunhofer IZM
Hochintegrierte Module
All diese Komponenten und Sensorpackages wurden mit Hilfe einer stark miniaturisierten Einbetttechnologie integriert und mit einem robusten Modulgehäuse von Außeneinwirkungen wie Kälte und Flüssigkeit geschützt. Der Footprint des eingebetteten Moduls beträgt 23 x 10,5 x 1,6 mm³: Er platziert auf einer Dicke von weniger als einer Schlüsselbreite ein komplettes Sensorpackage mit Mikrocontroller, Treiber, Beschleunigungssensor und übernimmt die Vorauswertung der Daten. Gleichzeitig dient das Gehäuse als Vermittler, indem es die mechanische und elektrische Kontaktierung zur Sensorhaut bietet.
Das Verbindungskonzept zwischen Modul und Gehäuse funktioniert nach dem Clip-Prinzip: Durch kleine Pins, die auf der Connector-Boardhälfte der Haut angebracht wurden, und winzige Schnapphaken auf dem Sensormodul wird eine schnell lösbare Schnittstelle geschaffen. Die Modularität des Gesamtsystems ermöglicht eine aufwandfreie Neukonfiguration des Moduls.
Übertragbare Technologie
In den nächsten Schritten soll der Robo-Manta erste Tests durchlaufen. Die Erkenntnisse und Ergebnisse aus Bionic RoboSkin sollen sich in weiteren Projekten einsetzen lassen, um die maritime Sensorik, aber auch andere flexible und mobile Serviceroboter durch druckneutrale und zuverlässige Packaging-Lösungen voranzutreiben und noch smarter zu machen.
Das Projektkonsortium wird geleitet von Evologics und hat neben den Fraunhofer-Forschenden weitere Fachexpertise von TITV Greiz, Sensorik Bayern, der Baltic Taucherei- und Bergungsbetrieb Rostock und GEO-DV. Das Projekt ‚Bionic RoboSkin‘ mit dem Förderkennzeichen 16ES0914 wird gefördert vom BMBF via VDI/VDE-IT im Rahmenprogramm der Bundesregierung für Forschung und Innovation 2016-2020 ‚Mikroelektronik aus Deutschland – Innovationstreiber der Digitalisierung‘.
Quelle: www.izm.fraunhofer.de
Bild: Evologics
