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Mittwoch, 28.09.2016
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Elektronische Sensoren zum Selbst-Zurechtschneiden

Eine neue Form der gedruckten Elektronik ermöglicht Do-it-Yourself Anwendungen

Do-it-Yourself: Forscher haben einen berührungsempfindlichen Sensor entwickelt, dessen Form und Größe jeder mit der Schere nach Belieben ändern kann. Der Trick dabei: die Leitungen der gedruckten Elektronik sind so angeordnet, dass sie trotz Beschnitt weiter funktionieren. Möglicherweise könnte solche beschneidbaren Sensoren schgon bis 2020 auf den Markt kommen, so die Forscher auf einer Konferenz im schottischen St. Andrews.

Das Video erklärt, wie der beschneidbare Sensor funktioniert

Ist eine Hose zu lang, wird sie gekürzt, passt ein Brett nicht in ein Regal, wird es zurechtgesägt. Bei Materialien wie Stoff oder Holz ist dies ganz normal, viele Menschen machen es sogar selbst, ohne Spezialisten wie Schneider und Tischler zu beauftragen. In Zukunft soll dies auch für Elektronik gelten, so die Vision Saarbrücker Informatiker. „Stellen Sie sich vor, ein Kind nimmt das von uns entwickelte Sensor-Papier und schneidet sich eine Blume in Form einer Blüte samt Stiel und Blättern aus. Berührt es nun die Blüte, ertönt das Brummen einer Hummel“, beschreibt Jürgen Steimle vom Max-Planck-Institut für Informatik in Saarbrücken eine mögliche Anwendung.

Gedruckte Sensorfolien


Als Basistechnologie dient den Wissenschaftlern „Gedruckte Elektronik“. Unter diesem Begriff fasst man Bauelemente, Komponenten und Anwendungen zusammen, die teilweise oder sogar vollständig gedruckt werden. Die Verfahren ähneln Tintenstrahldruckern. Anstelle von Drucktinte auf Papier werden hier Strom leitende Flüssigkeiten auf dünne, flexible Folien, sogenannte Substrate, gebannt. „Die Herstellungskosten dafür sind inzwischen so gering, dass der Druck unserer Folie im DIN-A4-Format auf einem Spezialdrucker im Labor nur knapp einen US-Dollar kostet“, so Steimle.

Doch das alleine reichte nicht aus, um den Sensor unverwundbar gegen Schnitte, Beschädigungen und das Abtrennen ganzer Bereiche zu machen. Bisher ähnelte der Schaltplan eines Multitouch-Sensors dem Karopapier in Rechenheften: Die Drähte verlaufen vertikal und horizontal, an ihren Schnittpunkten sitzen die berührungsempfindlichen Elektroden, bilden Reihen und Spalten. Über die Drähte sind sie mit einer Steuereinheit verbunden.


Die Struktur garantiert, dass der Sensor trotz Beschnitt weiter funktioniert

Die Struktur garantiert, dass der Sensor trotz Beschnitt weiter funktioniert

Inspiriert von Strukturen der Natur


Auf diese Weise ist zwar nur eine minimale Anzahl von Drähten notwendig, jedoch ist dieses Schaltungslayout auch anfällig für Störungen. Da ein Draht gleich mehrere Elektroden miteinander verbindet, ist der Schaden umso größer, wenn er durchtrennt wird. „Es war nicht leicht eine Anordnung zu finden, die für unsere Zwecke robust genug ist“, erklärt Olberding. Bei ihrer Suche ließen sich die Forscher von Vorbildern aus der Natur inspirieren, etwa dem menschlichen Nervensystem und dem Wurzelgeflecht von Pilzen.

Zwei Grundlayouts erfüllten ihre Anforderungen. Bei der Stern-Topologie sitzt die Steuereinheit im Zentrum und ist von dort aus mit jeder Elektrode separat verbunden. Bei der Baum-Topologie sitzt die Steuereinheit ebenfalls in der Mitte und ist auch mit jeder Elektrode verbunden. Allerdings sind die Drähte dabei so gebündelt, dass ihr Verlauf einer Baumstruktur entspricht. Erst bilden sie alle einen horizontalen Ast, die das Elektrodenfeld in zwei Hälfen aufspaltet. Dann verzweigen sie sich, um ihre jeweilige Elektrode zu erreichen.

Die Forscher fanden in ihren Tests heraus, dass sich die Stern-Topologie sehr gut für häufig verwendete Grundformen wie Dreieck, Rechteck oder Ovale eignet. Darüber hinaus unterstützt sie auch speziellere Formen wie Stern, Wolke und Herz. Komplementär dazu ist die Baum-Topologie. Diese ermöglicht es, ganze Bereiche herauszuschneiden. Die Wissenschaftler konnten außerdem beide Layouts miteinander kombinieren, damit der neuartige Sensor für eine Vielzahl von Zuschnitten verwendet werden kann.

Verfügbar spätestens 2020?


„Wir wollen eine neue Art von Material schaffen, das Anwender zum Beispiel in Schreibwaren-Abteilungen kaufen können. Es soll so preiswert sein, dass sie dieses für interaktive Anwendungen oder auch nur als Schreibunterlage nutzen können“, so Steimle. Dass diese Vision schon bald real werden könnte, lässt eine Prognose der „Organic and Printed Electronic Association“ vermuten. Der internationale Industrieverband sagt voraus, dass für Endanwender flexible Elektronik zwischen 2017 und 2020 verfügbar sein wird.

Für die Zukunft seien auch zahlreiche einfache Programme oder Apps denkbar, über die Eltern die gedruckten Sensoren mit dem entsprechenden Effekt verknüpfen könnten. Eine weitere Anwendung wären interaktive Wänden, die man für Diskussionen einsetzt. „Bisher nutzen sich solche Arbeitswände schnell ab, weil wir Nägel reinschlagen, Notizen und Poster aufkleben und beim Abreißen die darunterliegende Tapete gleich mit entfernen", erklärt Doktorand Simon Olberding, der den Sensor federführend entwickelt hat. "Durch das Zurechtschneiden und Aufkleben der neuartigen Sensor-Folie könnte man die Oberfläche interaktiv gestalten, egal ob es sich dabei um das Armband einer Uhr, eine Decke auf einem Messetisch oder die Tapete an einer Wand handelt."
(Max-Planck-Gesellschaft, 11.10.2013 - NPO)
 
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