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Energieautarke Touch-Interfaces mit PyzoFlex®-Technologie

Ein österreichisches Konsortium bestehend aus der KEBA AG, dem Media Interaction Lab der Fachhochschule Oberösterreich und JOANNEUM RESEARCH entwickelt ein energieautarkes, kraftsensitives Touch-Interface für die mobile Maschinenbedienung.

Es klingt noch wie Zukunftsmusik: Die intuitive Steuerung von Industrierobotern mittels eleganter und verlässlicher, drucksensitiver Touch-Interfaces an Stelle von Drehreglern, Tastern und Schaltern.  In dem von der FFG geförderten Projekt „ECO-touch“ wird diese Vision verwirklicht. Berührungssensitive Folienelemente werden in die Oberflächen von mobilen Bediengeräten der Firma KEBA AG integriert. Mit diesen großflächig druckbaren Sensoren, basierend auf der bei JOANNEUM RESEARCH entwickelten PyzoFlex®-Technologie, werden Berührungen durch den piezoelektrischen Effekt in elektrische Energie umgewandelt, auf der Bedienfläche lokalisiert und deren Druckkraft quantifiziert. Dank der Nutzung von Siebdruck können derartige Sensoren auf flexiblen Oberflächen sehr kostengünstig hergestellt werden.

Heute wird kaum ein elektronisches Gerät am Markt vorgestellt, welches nicht über ein berührungsempfindliches Interface (Touchscreen/Touchpad) verfügt. Viele dieser für den Consumer-Markt entwickelten Touchscreens sind derzeit aber meist nur für kleinere Formate (z.B. für Smartphones) realisiert und reagieren nicht auf den Druck der Berührung. Durch den Aspekt der Drucksensitivität ergeben sich völlig neue Möglichkeiten der Informationsübermittlung, da neben der Position des Fingers bzw. Eingabestiftes auch der Druck der Berührung für die Interaktion verwendet werden kann.

Weitere Vorteile der in ECO-touch entwickelten Technologie liegen in der Energieeffizienz und der kostengünstigen Herstellung. Durch den piezoelektrischen Effekt (Piezogeneratoren) wird bei jeder Berührung aktiv Energie generiert und kann somit rückgewonnen werden. Zudem lassen sich beliebig flexible (biegsame) Oberflächen durch Verwendung von Siebdruck mit den neuen Sensoren ausstatten und werden damit „interaktiv“, lassen sich also für verschiedenste Eingabeformen nutzen. Durch die Verwendung von speziellen Materialien können die Sensoren auch annähernd transparent hergestellt werden, sodass Sie auch in Kombination mit OLED bzw. LCD Bildschirmen verwendet werden können. Darüber hinaus ist die flexible, biegbare PyzoFlex®-Sensortechnologie auch als Eingabemedium für die gerade aufkommenden flexiblen Displays (z.B. in Smartphones, E-Book-Readern, etc.) interessant.

Bisherige Touchscreens, bekannt aus mobilen Geräten wie dem iPhone, erlauben zwar eine sehr genaue Interaktion mit mehreren Fingern gleichzeitig, jedoch würde die dort verwendete Technologie bei der Nutzung auf größeren Flächen einen beträchtlichen Energieverbrauch verursachen. Außerdem stellt das häufig in gegenwärtigen Touchscreens verwendete ITO (Indiumzinnoxid) eine endliche und deshalb teure Ressource dar. Deshalb ist trotz der hohen Marktpotenziale eine Verwendung der bisher zur Verfügung stehenden Technologien in großflächigen Eingabeschnittstellen (z.B. Whiteboards) nicht rentabel. Durch die neue PyzoFlex®-Technologie sind diese Probleme Vergangenheit: sie benötigt kein Indium und ist durch die Verwendung des Siebdruck-Verfahrens kostengünstig und zudem in beliebigen Größen herstellbar.

Die neuartige Technologie und das dafür notwendige Material wurden von JOANNEUM RESEARCH über Jahre speziell für ein Druckverfahren weiterentwickelt und optimiert.  Das Media Interaction Lab der FH Oberösterreich in Hagenberg liefert die Ansteuerung in Form von Hard- und Software: es entwickelte eine elektronische Ausleseeinheit für die Sensoren sowie die Software zur Datenauswertung, die rohe Sensorsignale erst in Touch-Informationen für das Bedienelement und spätere Anwendungen umwandelt. Die Firma KEBA AG zeichnet sich für die Einbettung der Technologie in entsprechende Anwendungsszenarien der Wirtschaft verantwortlich.

Das Anwendungsspektrum für derartige Sensoren, die dank ihrer Biegbarkeit auf beliebig gekrümmten und dimensionierten Oberflächen integriert werden können, scheint aus heutiger Sicht unbegrenzt. PyzoFlex®-Sensoren könnten in allen Bereichen des täglichen Lebens und auch im industriellen Umfeld eingesetzt werden, um Oberflächen interaktiv zu machen. Besonders die Bereiche Unterhaltungselektronik (intuitive Mensch-Maschine-Interfaces), Sicherheit (Arbeitsplatzschutz, 360°-Bewegungsmelder, Biometrie), nutzungsorientierte effiziente Haustechnik, Robotik (künstliche Haut), Life Science (großflächige, medizinische Diagnostik), industrielle Diagnostik (Thermometrie) und Automotive (Energy Harvesting) sind als interessant einzustufen.“ erläutert Mag. Dr. Barbara Stadlober, Leiterin der Forschungsgruppe Mikro- und Nanostrukturierung.

„Die Herausforderung bei der Entwicklung der Folie war zum einen die Umsetzung eines robusten Trackings und zum anderen die Implementierung von neuen (geeigneten und intuitiven) Interaktionstechniken“, so Dr. Michael Haller, Leiter des Media Interaction Labs der FH OÖ.

Für DI Peter Kögl, Projektleiter und Innovationsmanager Industrieautomation KEBA, stehen Kundennutzen und praktische Einsetzbarkeit im Vordergrund:  "Mühelose und verlässliche Bedienung sowie maximale Energieeffizienz sind mit Sicherheit wesentliche Schlüsselfaktoren für die nächsten Generationen intelligenter Produkte. Mit PyzoFlex® können im ersten Schritt schon bestehenden Bedienkonzepte deutlich aufgewertet werden. Aufgrund der großen gestalterischen Potenziale werden aber auch ganz neue Interface-Designs möglich, bei denen die Interaktionsfähigkeit unmittelbar in die intuitive und ergonomischen Gestaltung des Produktes integriert ist. Für KEBA ist dabei äußerst wichtig, die hohen Erwartungen der Kunden immer auch in Bezug auf Zuverlässigkeit und Robustheit zu erfüllen."

Die Technologie hinter PyzoFlex®-Sensoren

Überall wo Druck-/Temperaturänderungen, Schwingungen, und Stoßwellen auftreten, können Piezogeneratoren die mechanischen Deformationen (Dickenänderungen) und Pyrogeneratoren die Temperaturunterschiede in elektrische Energie umwandeln. Als Materialbasis dienen dabei ferroelektrische Polymere aus der PVDF-Klasse (Polyvinylidenfluorid), welche nach einer elektrischen Polung starke piezo- und pyroelektrische Aktivität zeigen und ausgesprochen stabil sind, d.h. eine hohe chemische Robustheit aufweisen, sehr UV-beständig und witterungsfest sowie schwer entflammbar sind. Die Sensoren sind in der Lage Druckunterschiede zwischen 30 Gramm und einem Kilogramm akkurat zu erkennen. Je nach Elektronik und Anzahl der verwendeten Sensoren können diese bis zu 100-mal pro Sekunde abgetastet werden, wodurch schnelle Reaktionszeiten und eine flüssige Interaktion ermöglicht werden.

Dieses Projekt wird aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Programms „NEUE ENERGIEN 2020“ durchgeführt.

Zum PyzoFlex Image Movie

Film PyzoFlex - Printed Piezoelectric Pressure Sensing Foil 

Gedrucktes Sensorarray auf PET-Folie. Bildquelle: Joanneum (Abdruck honorarfrei)

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