Tom Cadera hat schon viele Trends in der Maschinenbedienung miterlebt. In seinem Büro hat er eine kleine Sammlung von Human Machine Interfaces (HMI) aus den verschiedenen Jahrzehnten zusammengetragen ‒ ein Museum der Bedienoberflächen. „Manche Unternehmen arbeiten immer noch mit den Oberflächen aus den frühen 90er-Jahren“, erklärt Cadera. Dabei ist Usability mittlerweile ein Wettbewerbsfaktor für viele Maschinenbauer geworden. Doch nur mit Touch-displays werden Industrieanwender auch nicht glücklich. „Wir Menschen möchten mit Produkten mehr körperlich interagieren, möchten Controls spüren und deutliches haptisches Feedback bekommen. Ich denke, wir wollen im wörtlichen Sinne wieder mehr begreifen und erfassen. Ich denke, die Interaktion wird längerfristig wieder dreidimensionaler“, so Cadera.

Die Markteinschätzung von Cadera dürfte Prof. Stefan Seelecke und sein Team von der Universität des Saarlandes freuen. Sie haben eine Folie entwickelt, die Touchscreens eine dritte Dimension verleiht. Die federleichte, dünne Silikonfolie hält stufenlos verschiedene Stellungen und Höhen; sie kann klopfen, drücken, stoßen und vibrieren. Auch hat sie Sensoreigenschaften und wird so zum Sinnesorgan des jeweiligen Geräts.

Fährt der Nutzer mit der Fingerspitze über das Display, ist da an einer Stelle plötzlich ein Klopfen. Darunter entsteht wie von Zauberhand ein Button. Oder der Nutzer folgt dem Signal, das seinen Finger leitet, und er findet den Knopf auf diese Weise. Mit der neuen Technologie, die das Ingenieurteam am Lehrstuhl für Intelligente Materialsysteme der Universität des Saarlandes und am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik entwickelt hat, können Buttons bei Bedarf überall auf dem Bildschirm entstehen und verschwinden. Durch Vibration, Klopfen oder Stöße an die Fingerkuppe kann das Display seinen Nutzer zu ihnen führen.

Eine auf den ersten Blick unspektakuläre Silikonfolie – nicht unähnlich der handelsüblichen Frischhaltefolie – legt die Basis für eine neue Generation von Displays. „Es handelt sich bei der Folie um ein sogenanntes dielektrisches Elastomer“, erklärt Seelecke, dessen Arbeitsgruppe für die Folien auf internationalen Konferenzen bereits mehrfach ausgezeichnet wurde und auf der Hannover Messe die Anwendung präsentierte.

Die Ingenieure drucken hierbei auf eine hauchfeine Kunststoff-Membran eine elektrisch leitfähige Schicht auf. Dadurch können sie eine elektrische Spannung anlegen: Die „Elektroaktivität“ der Folie bedeutet, dass sie sich in der einen Richtung zusammenziehen und in die andere Richtung dehnen kann.

„Aufgrund der elektrostatischen Anziehungskräfte drückt sich das Polymer zum Beispiel zusammen und dehnt sich nach außen hin aus“, erläutert Steffen Hau, promovierter Ingenieur aus Seeleckes Team. Verändert der Forscher das elektrische Feld, vollführt die Folie verschiedenste Choreografien und gibt beliebige Signale: vom hochfrequenten Vibrieren über spezifische Impulse wie bei einem Herzschlag bis hin zu stufenlosen Hub-Bewegungen. In ihrem Prototyp, den die Wissenschaftler auf der Hannover Messe gezeigt haben, haben sie die Folien mit einem Smartphone-Display kombiniert. Sie lassen so nicht nur virtuelle Buttons entstehen, sondern eröffnen dem Display zusätzliche Funktionen.

Technologie ohne seltene Erden

Mit einer Regelung über Algorithmen wird aus dem Stück Kunststoff ein technisches Bauteil, das die Ingenieure gezielt ansteuern können. „Wir setzen dabei die Folie selbst als Positions-Sensor ein. Das Display hat damit zugleich sensorische Eigenschaften. Weitere Sensoren benötigen wir nicht“, erklärt Hau. Die Forscher können jede einzelne Stellung der Folie exakt den entsprechenden Messwerten der elektrischen Kapazität zuordnen. „Dadurch wissen wir immer, wie sich das Polymer gerade verformt. Mit den Messwerten der elektrischen Kapazität können wir auf die jeweilige mechanische Auslenkung der Folie rückschließen. Indem wir die elektrische Spannung verändern, können wir die Folie präzise ansteuern“, ergänzt Hau. In einer Regelungseinheit lassen sich die Bewegungsabläufe exakt vorausberechnen und programmieren.

Noch handelt es sich bei den elastisch verformbaren Kunststoff-Folien um Ergebnisse der anwendungsorientierten Forschung. Doch das Forscherteam sucht Industriepartner. Der Touchscreen bekommt eine dritte Dimension.

3D-Touch und Haptik-Feedback werden Impulsgeber für die Bediengenerationen der nächsten Jahre sein. Doch den Druckknopf wird es in der Industrie wohl noch lange geben – das verdeutlicht Caderas Sammlung eindrücklich.