Mit Chemie den Tastsinn anregen

Unsere Augen mögen Fenster zur Welt sein, aber unsere Fingerspitzen bringen uns mit ihr in Kontakt. Um diesen Tastsinn nachzubilden, stützt sich die aktuelle Technologie auf winzige Motoren und Elektrizität. Die Unebenheiten und Summen, die sie erzeugen, sind jedoch nicht so gut darin, die Realität nachzuahmen. Heute berichten Wissenschaftler von Beweisen, dass unsere Haut subtile Unterschiede in der Chemie wahrnehmen kann – Erkenntnisse, von denen sie hoffen, dass sie die Grundlage für eine neue Art der Berührungssteuerung bilden und sie besser in Anwendungen wie die virtuelle Realität integrieren könnten.

Die Forscher stellen ihre Ergebnisse auf der Frühjahrstagung der American Chemical Society (ACS) vor.

„Wenn Sie ein Objekt berühren, fühlen Sie seine Oberfläche, und Sie können ändern, wie es sich anfühlt, indem Sie die Reibung zwischen dieser Oberfläche und Ihrem Finger ändern. Hier kommt die Chemie ins Spiel“, sagt Charles Dhong, Ph.D., the Projektleiter. „Wir glauben, dass die Materialchemie die Tür öffnen könnte, um nuanciertere Empfindungen nachzubilden, egal ob Sie eine Oberfläche so gestalten, dass sie sich auf eine bestimmte Weise anfühlt, oder Feedback-Geräte für die virtuelle Realität entwickeln.“

Von den fünf Sinnen hat die Technologie einige bereitwilliger angenommen als andere. Computermonitore, Smartphone-Bildschirme und Virtual-Reality-Headsets bieten detaillierte, sogar immersive Bilder. Auch Audiogeräte stellen Stimmen, Musik und andere Klänge in High Fidelity wieder her. Der Fortschritt in der Berührungstechnologie ist jedoch zurückgeblieben, zum Teil, weil sie mehrere Arten von Empfindungen wie Temperatur und Schmerz beinhaltet. Darüber hinaus umfassten einige Bemühungen, Berührungen nachzubilden, Systeme, die darauf ausgelegt waren, das Gefühl zu simulieren, den eigenen Körper zu bewegen – eine komplexe Empfindung.

Dhongs Forschung an der University of Delaware konzentriert sich auf eine bestimmte Art der Berührung: die Verwendung der Finger zur Erkennung von Texturen. Einige Methoden, um diese Art von Feingefühl hervorzurufen, sind bereits verfügbar. Ein Vibrator in einem Smartphone ermöglicht es, Ihre Aufmerksamkeit zu erregen, ohne zu klingeln. In einer aktualisierbaren Braillezeile für Menschen mit Sehbehinderung oder Blindheit bewegt ein Aktuator Stifte nach oben, um Unebenheiten zu erzeugen. Diese Art der Berührung hängt von einer physikalischen Kraft ab, der Reibung, dem Widerstand, dem die Haut ausgesetzt ist, wenn sie gegen einen Gegenstand streift. Während Attribute wie die Konturen einer Oberfläche die Reibung beeinflussen, tut dies auch die Chemie. Auch die Struktur der Moleküle innerhalb einer Substanz und die Beschaffenheit ihrer Oberfläche beeinflussen die Empfindung. Dhong und seine Kollegen vermuteten, dass sie das Gefühl einer Oberfläche verändern könnten, indem sie nur chemiebezogene Merkmale verändern.

In früheren Arbeiten forderte Dhongs Team Menschen auf, einzelne Moleküle dicke Schichten aus Silan, einer siliziumhaltigen Verbindung, zu berühren. Keine der Silanoberflächen wies nachweisbare Unterschiede in der Glätte auf. Trotzdem konnten diejenigen, die die Oberflächen berührten, sie anhand chemischer Unterschiede unterscheiden, einschließlich der Substitution eines Atoms innerhalb jedes Silanmoleküls durch ein anderes aufgrund subtiler Änderungen der Reibung. „Jüngste Forschungen haben gezeigt, dass Menschen die physikalischen Unterschiede zwischen Oberflächen bei einer Auflösung von nur 13 Nanometern erkennen können“, sagt Dhong. „Jetzt sagen wir, dass der Tastsinn auch chemische Veränderungen erkennen kann, die so klein sind wie der Austausch eines Stickstoffatoms gegen ein Kohlenstoffatom.“

Auf dem Treffen wird Dhong aktuelle Arbeiten vorstellen, die sich auf Polymere konzentrieren, die wichtigsten Moleküle für synthetische Materialien. Polymere zeichnen sich nicht nur durch ihre chemische Formel aus, sondern auch durch eine Eigenschaft namens Kristallinität, die beschreibt, wie fein säuberlich die kettenartigen Moleküle organisiert sind. Die Polymere in diesen Experimenten hatten identische Formeln und Molekulargewichte; nur der Grad der Kristallinität unterschied sich.

In ihren Experimenten konzentrierten sich die Forscher auf die wahrgenommene Textur dünner Polymerschichten. Wie bei den Silanen baten sie die Probanden, ihre Finger über das Polymer zu streichen. Auch dieses Mal stellten sie fest, dass die Menschen zwischen den Polymeren nur anhand von Variationen in der Reibung unterscheiden konnten, die sich aus subtilen Änderungen der Kristallinität der Moleküle ergaben.

„Ein neuer Ansatz zur Kontrolle der feinen Berührung und der Wahrnehmung von Texturen könnte viele Anwendungen haben“, sagt Dhong. „Es könnte zum Beispiel ermöglichen, neue Arten von Oberflächen zu entwerfen oder diesen Sinn besser in Virtual-Reality-Umgebungen zu integrieren. Andere Anwendungen könnten die Verbesserung von Geräten wie aktualisierbaren Braille-Displays sowie die Bereitstellung von Feedback für operierende Chirurgen umfassen aus der Ferne“, sagt Dhong.