Winziger Magnetsensor Kompass auf der Haut - medizin&technik - Ingenieurwissen für die Medizintechnik

Winziger Magnetsensor

Kompass auf der Haut

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Eine hauchdünne, goldene Folie auf dem Mittelfinger - und schon lässt sich ein virtueller Panda mit Hilfe des Erdmagnetfelds steuern (Bild: HZDR / G.S. Cañón Bermúdez)
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Ein kleiner elektronischer Magnetsensor lässt sich auf der Haut tragen und kann über die Interaktion mit dem Erdmagnetfeld die Bewegungen eines Körpers im Raum bestimmen. Er bietet Hilfe bei Orientierungsproblemen und vereinfacht Steuerung in der virtuellen Realität.

Eine einfache Handbewegung nach links: Und schon setzt sich der virtuelle Panda auf dem Monitor zum unteren linken Rand in Bewegung. Als die Hand nach rechts schwenkt, vollführt das schwarz-weiße Tier eine Drehung um 180 Grad. Die Demonstration erinnert ein bisschen an eine berühmte Szene aus dem Film Minority Report, in der Hauptdarsteller Tom Cruise nur mit Hilfe von Gesten einen Computer steuert.

Was vor 16 Jahren noch wie Science-Fiction aussah, konnten die Forscher um Dr. Denys Makarov vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) in die Realität umsetzen. Um den Weg des Pandas zu bestimmen, brauchen sie aber keine klobigen Handschuhe, sperrigen Brillen oder aufwendige Kamerasysteme. Ihnen genügt eine nur wenige Tausendstel Millimeter dünne Polymerfolie an einem Finger – und das Magnetfeld der Erde.

Virtuelle Objekte berührungslos steuern

„Auf der Folie haben wir elektronische Magnetsensoren aufgebracht, die kleinste geomagnetische Felder detektieren können“, erzählt Erstautor der Studie Gilbert Santiago Cañón Bermúdez. „Wir reden von 40 bis 60 Mikrotesla – das ist mehr als 1000-mal schwächer als ein üblicher Magnet am Kühlschrank und entspricht in etwa dem Erdmagnetfeld.“ Dadurch konnten die Wissenschaftler zum ersten Mal zeigen, dass das natürliche geomagnetische Feld ausreicht, um virtuelle Objekte berührungslos zu steuern. „Indem sie die Position eines Körpers, beispielsweise einer Hand, in Verbindung zum Erdmagnetfeld setzen, können unsere Sensoren die Bewegungen aufzeichnen, was es uns erlaubt, sie zu digitalisieren und in die virtuelle Welt zu übertragen.“

Wie ein normaler Kompass

Das Prinzip hinter den Sensoren, die aus hauchdünnen Streifen des Metalls Permalloy bestehen, beruht auf dem sogenannten anisotropen magnetoresistiven Effekt, wie Cañón Bermúdez erläutert: „Das heißt, dass sich, abhängig von der Orientierung zu einem äußeren Magnetfeld, der elektrische Widerstand dieser Schichten ändert. Die Spannung ist am stärksten, wenn die Sensoren auf Norden, und am schwächsten, wenn sie auf Süden ausgerichtet sind.“ Bei Versuchen in der freien Natur konnten die Forscher belegen, dass ihre Konfiguration funktioniert.

Das ist aber noch nicht alles. Denn den Physikern gelang es darüber hinaus, das Prinzip in die virtuelle Realität zu übertragen. Hier konnten sie bei Panda3D, einer Software für die Produktion von Computerspielen, einen digitalen Panda allein über ihre Magnetsensoren steuern.

Erleichterte Experimente

Da die Sensoren starke Verbiegungen und Verkrümmungen aushalten, ohne Funktionalität einzubüßen, sehen die Forscher großes Potenzial für ihre Entwicklung – nicht nur als Zugang zur virtuellen Realität. „Damit ließen sich zum Beispiel genauer die Effekte eines Magnetsinnes auf Menschen untersuchen, ohne auf umständliche experimentelle Installationen, die oft die Resultate verzerren, zurückgreifen zu müssen“, gibt Gilbert Santiago Cañón Bermúdez einen Ausblick.

www.nature.com/articles/s41928–018–0161–6

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