Forschungsplattform zur Analyse körpernaher Materialinteraktionen

Hintergrund

Bei Materialien und Produkten, die in direktem Kontakt mit dem menschlichen Körper eingesetzt werden, ist ein detailliertes Verständnis der lokalen mechanischen und thermischen Wechselwirkungen entscheidend, um Funktionalität und Nutzererlebnis weiter zu verbessern. Dafür wurde eine Forschungsplattform entwickelt, die Körper-Phantome mit ultradünnen kapazitiven Sensoren (< 1,5 mm) kombiniert. Diese Sensorarrays erfassen Druck, Temperatur und Feuchtigkeit über mehrere 10 × 10 mm große Sensorpixel und ermöglichen so eine realitätsnahe Analyse körpernaher Material-Haut-Interaktionen, beispielsweise bei Einlegesohlen.

Anforderungen

Ziel war ein komfortables, flexibles und zugleich hochauflösendes Messsystem: Normal- und Scherkräfte sollten gleichzeitig und richtungsaufgelöst messbar sein, ergänzt durch Temperatur- und Feuchtesignale. Dazu setzt das System auf eine flexible Leiterplatte mit Mikrocontrollern pro Sensorknoten sowie kapazitive Wandler mit hoher Auflösung (bis 20 Bit, Sub-10 fF). Eine schnelle, deterministische Datenübertragung (UART bis 4 Mbaud/s) zur Basisstation und die drahtlose Weitergabe an eine GUI sollten eine Echtzeit-Visualisierung (Heatmaps/Vektorfelder) sowie Logging ermöglichen – bei energieeffizientem Betrieb per USB-C oder Li-Ion-Akku und modularer Skalierbarkeit für unterschiedliche Anwendungen.

Ergebnisse

Es wurden verschiedene Prototyp-Sensorarrays aufgebaut und in anwendungsnahe Demonstratoren integriert (u. a. eine Sohlen-Anordnung entlang des Fußprofils oder Brustkappen). Validierungsmessungen bestätigten die Funktion der  Sensoren. Es können Druck- und Scherkräfte zeitgleich erfasst werden. Ergänzend wurde eine Methodik zur mechanischen Charakterisierung von Material-Haut-Interaktionen weiterentwickelt (Friction Analyzer mit Hautmodellen). Der Vergleich von Sensorausgaben mit Referenz-Reibungsmessungen zeigt, dass die integrierte Sensorik wertvolle Daten für reale (und reale-zeitliche) Untersuchungen körpernaher Interaktionen liefert.