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Gestenerkennung durch Ultraschall

| Redakteur: Hendrik Härter

Fraunhofer-Forscher haben eine günstige Methode entwickelt, Abstände, Bewegungen und Gesten zu erfassen.
Fraunhofer-Forscher haben eine günstige Methode entwickelt, Abstände, Bewegungen und Gesten zu erfassen. (Bild: Fraunhofer)

Werden wir künftig rein über Gesten ein Gerät bedienen können? Fraunhofer-Forscher haben eine preiswerte Möglichkeit entwickelt, berührungslos und dreidimensional Abstände, Bewegungen und Gesten zu erfassen.

Wir kennen es aus unserem Alltag: Mit einfachen Handbewegungen wie Wischen, Ziehen oder Antippen lassen sich Smartphone und Tablet sicher bedienen. Diese Gestensteuerung setzt allerdings ein Touch-Display voraus. Ist dieser nicht vorhanden oder stehen die Hände für seine Bedienung nicht zur Verfügung, sind kontaktlose Lösungen für die Mensch-Maschine-Kommunikation gefragt.

Es sind vor allem Assistenzsysteme zur Spracherkennung und -Interpretation, die sich schon heute wachsender Beliebtheit erfreuen. Doch wenn man gerade an ein öffentliches Umfeld denkt, so sind Spracheingaben mitunter ungeeignet und funktionieren nur in ruhigen Umgebungen verlässlich. Eine Forschergruppe am Fraunhofer IPMS arbeitet deshalb an einem alternativen Ansatz zur berührungslosen, dreidimensionalen Möglichkeit, Abstände, Bewegungen und Gesten zu erfassen. Sie lassen sich beispielsweise für die Kommunikation mit Robotern, im OP und in Haushaltssystemen einsetzen.

Günstiger Ultraschallwandler

Die Fraunhofer-Forscher haben dazu eine Mikro-Chip-Architektur entwickelt, die Ultraschall bis 300 kHz erzeugen und empfangen kann. Die reflektierten Schallwellen werden dann analysiert, indem sie messen, wie lange die Welle zwischen dem Sensorsystem und dem reflektierenden Objekt unterwegs war oder wie sich die Frequenzen aufgrund des Doppler-Effekts verschoben haben. Die Auswertung des Ultraschalls erlaubt eine räumliche Auflösung natürlicher Bewegungen und Gesten im Bereich von Sub-Zentimetern über Distanzen bis zu einem halben Meter.

Die Fraunhofer-Forscher am IPMS glauben, dass der Ultraschallwandler gegenüber konkurrierenden optischen Sensorverfahren einen Vorteil bietet. Gruppenleiter Dr. Sandro Koch erklärt die Vorzüge so: „Im Vergleich zu kamerabasierten Systemen ermöglichen unsere Ultraschallsensoren aufgrund längerer Signallaufzeiten den Aufbau deutlich kostengünstigerer Elektronik- und Softwaresysteme. Sie sind nicht streulichtempfindlich und erlauben eine zuverlässige Datenerfassung auch an optisch transparenten Oberflächen. Zudem sind die Systeme CMOS-kompatibel und erheblich kompakter und lassen sich in großen Stückzahlen kostengünstig herstellen.“

MEMS-Biegeaktoren

Für die Entwicklung setzen die Forscher auf eine neue Klasse elektrostatischer, mikro-elektromechanischer (MEMS) Biegeaktoren, mit der seit 2016 Hörschall in Mikrolautsprechern und für Mikropumpen erzeugt werden und stetig weiterentwickelt wurden. Dieses Fraunhofer IPMS-eigene, so genannte Nano-E-Drive-Antriebsprinzip (NED) nutzt die hohen Kräfte elektrostatischer Felder in Nanometer-kleinen Elektrodenspalten aus, um mechanische Bewegungen mit Auslenkungen von mehreren Mikrometer zu ermöglichen.

Für die Schallerzeugung wird dabei nicht nur die Chipoberfläche, sondern das komplette Bauelementvolumen eingesetzt. „Die Nutzung des Chipvolumens zur Schallerzeugung ermöglicht es, sehr kleine Bauelemente herzustellen“, erläutert Sandro Koch. „Weil hunderte solcher Bauelemente auf einem einzigen Wafer Platz finden und mehrere Wafer in einzelnen Prozessschritten gleichzeitig verarbeitet werden können, sind die Herstellungskosten für große Mengen potenziell gering.“

Für die weitere Entwicklung erwarten die Fraunhofer-Forscher hohe Luft-Volumenströme, die in hohe Schalldrücke gewandelt werden und folglich ein gesteigertes Signal-Rausch-Verhältnis für niederfrequente Ultraschallwandler bereitstellen. Die Resonanzfrequenz und damit Detektionsreichweite sowie das räumliche Auflösungsvermögen können durch die Geometrie der NED-Biegeaktoren definiert werden.

Neben der Automobilindustrie sind aus Sicht der Forscher weitere Anwendungsfelder ebenso in der Automatisierungs- und Sicherheitstechnik zu finden wie in der Medizintechnikoder Unterhaltungs- und Haushaltselektronik.

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