Dreidimensionales Sehen mit Ultraschall

Wenn Menschen sich unterhalten, benutzen sie zur Kommunikation Stimme, Mimik und Gestik. Doch zunehmend interagieren wir im beruflichen Umfeld und im Alltag auch mit Maschinen. Dabei geht der Trend hin zu berührungslosen Lösungen der Mensch-Maschine-Kommunikation: Sprachbasierte Assistenzsysteme findet man mittlerweile überall, ob in Autos, Smartphones oder im Wohnzimmer.

Die Sprachsteuerung ist jedoch für öffentliche Bereiche ungeeignet und funktioniert nur in ruhigen Umgebungen verlässlich, die frei von externen Störgeräuschen sind.

Fraunhofer hat einen alternativen Ansatz entwickelt zur berührungslosen, dreidimensionalen Erfassung von Abständen, Bewegungen und Gesten für die Kommunikation mit Maschinen. Die Methode ermöglicht die Gestensteuerung von Maschinen, vom Roboter bis zum smarten Haushaltsgerät. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben eine Mikro-Chip-Architektur entwickelt, die Ultraschall bis 300 kHz erzeugen und empfangen kann. Die reflektierten Schallwellen werden dann analysiert, indem zum Beispiel gemessen wird, 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 Sub-Zentimeter-Bereich über Distanzen bis zu einem halben Meter. Im Vergleich zu kamerabasierten Systemen ermöglichen unsere Ultraschallsensoren 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 erheblich kompakter und lassen sich in großen Stückzahlen kostengünstig herstellen.

Für die Entwicklung setzen die Forschenden auf eine neue Klasse elektrostatischer, mikroelektromechanischer Biegeaktoren. Dieses Fraunhofer IPMS-eigene, sogenannte Nano-E-Drive-Antriebsprinzip (NED), nutzt die hohen Kräfte elektrostatischer Felder in nanometerkleinen Elektrodenspalten aus, um mechanische Bewegungen mit Auslenkungen im Bereich mehrerer Mikrometer zu ermöglichen. Für die Schallerzeugung wird dabei nicht nur die Chipoberfläche, sondern das komplette Bauelementvolumen eingesetzt. Die Nutzung des Chipvolumens zur Schallerzeugung ermöglicht die Herstellung sehr kleiner Bauelemente.

Mögliche Anwendungsfelder der ultraschallbasierten, berührungslosen Bewegungserkennung sind in der Automatisierungs- und Sicherheitstechnik ebenso zu finden wie in der Medizintechnik, Automobilindustrie oder Unterhaltungs- und Haushaltselektronik.