Technik

Sensoren ohne Batterien messen bald den Verschleiß von Bauteilen

von
Marten Zabel

Forscher haben ein Prinzip entwickelt, wie Bauteile – etwa auch Teile von Prothesen – als passive Sensoren den eigenen Verschleiß messen können.

Der Prototyp einer Handprothese mit Sensoren ohne Batterie der University of Washington.
So sieht der Prototyp einer Handprothese mit Sensoren ohne Batterie der University of Washington aus. Foto: Mark Stone/University of Washing

Das erfahren Sie gleich:

  • Wie Bauteile aus dem 3D-Drucker den eigenen Verschleiß messen können
  • Wie Sensoren ohne Batterie so etwa Prothesen überwachen
  • Weshalb die passiven Sensoren auch für die Autoindustrie spannend sein könnten

An der Universität von Washington haben sich Wissenschaftler damit befasst, wie man Sensoren in Kunststoffbauteilen unterbringen könnte, ohne dabei Elektronik und Batterien zu verwenden. Es ist ihnen gelungen, erste Prototypen von mechanischen Prothesen und anderen Dingen aus dem 3D-Drucker zu produzieren. Diese Bauteile messen ihren eigenen Verschleiß, völlig ohne eigene Elektronik oder Stromversorgung.

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Jennifer Mankoff, Professorin für Informatik, hat ein Prinzip aus 2017 dazu mit ihrer Forschungsgruppe weiterentwickelt.

Wir haben uns gefragt, ob wir eine elektronikfreie Lösung finden, wie ein Bauteil selbst Informationen sammeln kann, und das noch dazu mit einem gewöhnlichen 3D-Drucker hergestellt werden kann.

Jennifer Mankoff, Informatik-Professorin an der Universität Washington

Sensoren ohne Batterie: Passive Signalübermittlung

Das Projekt nahm seinen Anfang schon vor mehr als einem Jahr. 2017 präsentierte die Uni die ersten Ergebnisse: Damals waren es Durchflussmesser, die die Geschwindigkeit von Wind oder Flüssigkeiten gemessen haben. Die Durchflussmesser waren quasi batterielose Sensoren, die mit einer Antenne ausgestattet waren. Die Informationsübertragung war durch die Reflexion von WiFi-Signalen aus der Umgebung möglich. Bei den Durchflussmessern war nur eine Richtung messbar, doch die Wissenschaftler wollten mehr.

Am Beispiel einer Handprothese, die sich öffnet und schließt – und dabei in zwei Richtungen funktioniert – lässt sich die neue Technik demonstrieren und erläutern. Sie hat zwei Antennen und zwei Kontakte. Während die Prothese sich bewegt, bewegen Zahnräder die Kontakte.

Je nach Bewegungsrichtung und Position der Prothese berühren die Kontakte die Antennen an unterschiedlichen Stellen. So entsteht eine andere Resonanzfrequenz für diesen Antennenabschnitt. Um daraus Informationen zu gewinnen, benötigt das System ein WiFi-Signal, dessen Reflexion sich messen lässt. Daraus können die Wissenschaftler dann ableiten, in welcher Position sich die Prothese befindet.

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Passive Sensoren auch für andere Branchen

Was am Beispiel der Handprothese funktioniert, lässt sich im Prinzip auf viele andere mechanische Bauteile übertragen. So könnte man aus der Bewegung und Benutzung von Gegenständen auf den Verschleiß schließen. Das wird im Zuge fortschreitender Automatisierung immer wichtiger, denn frühzeitige Wartung verhindert Ausfälle in Smart Devices oder an autonomen Autos – die sich dann sogar selbst reparieren könnten.

Auch der Einsatz in regulären Verschleißteilen wie Bremsen oder Reifen von Autos hätte gegenüber herkömmlichen Sensoren viele Vorteile. Die Washingtoner Wissenschaftler arbeiten daran, diese neuartigen passiven Sensoren ohne eigene Batterie zu miniaturisieren und für weitere Anwendungen zu erschließen.

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