Elektronik mit der Schere zurechtschneiden
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. Zusammen mit Forschern des US-amerikanischen MIT Media Lab haben sie einen berührungsempfindlichen Sensor entwickelt, dessen Form und Größe jeder mit der Schere nach Belieben ändern kann. Dass dabei die Elektronik trotz Schnitten und entfernter Stücke weiter funktioniert, ermöglicht eine neuartige Anordnung der gedruckten Schaltkreise.
Selbst Schnitte (b) können den gedruckten Schaltkreisen (a) aus Saarbrücken nichts anhaben (c).
Universität des Saarlandes
„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 eine mögliche Anwendung. Für die Zukunft seien auch zahlreiche einfache Programme oder Apps denkbar, über die Eltern die gedruckten Sensoren mit dem entsprechenden Effekt verknüpfen könnten. Steimle ist 33 Jahre alt, promovierter Informatiker und forscht am Max-Planck-Institut für Informatik in Saarbrücken. Er leitet außerdem eine Forschungsgruppe am Exzellenzcluster der Saar-Uni.
Sein Doktorand Simon Olberding, der den Sensor federführend entwickelt hat, sieht eine Anwendung auch in interaktiven 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. 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“, sagt Olberding.
Als Basistechnologie dient den Wissenschaftlern sogenannte „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 jedoch 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. 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 so genannten 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 ausspaltet. 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 eher, ganze Bereiche herauszuschneiden. Die Wissenschaftler konnten außerdem beide Layouts platzschonend miteinander kombinieren, damit der neuartige Sensor für eine Vielzahl von Zuschnitten verwendet werden kann.
„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 vorher, dass für End-Anwender flexible Elektronik zwischen 2017 und 2020 verfügbar sein wird.
Originalveröffentlichung
Simon Olberding, Nan-Wei Gong, John Tiab, Joseph A. Paradiso and Jürgen Steimle. A Cuttable Multi-touch Sensor. In Proc. UIST 2013
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