Ein neues Display nimmt Gestalt an

Aug 06, 2023

Formdisplays, auch verformbare Displays oder formverändernde Displays genannt, sind eine faszinierende Klasse neuer Technologien, die darauf abzielen, über herkömmliche Flachbildschirme hinauszugehen, indem sie physische Veränderungen in ihrer Form und ihrem Erscheinungsbild ermöglichen. Im Gegensatz zu herkömmlichen statischen Displays bieten Formdisplays die einzigartige Möglichkeit, ihre Oberflächen zu verändern und so dynamische 3D-Formen und fühlbare Texturen zu erzeugen. Diese Displays können aus verschiedenen Materialien und Mechanismen hergestellt werden, beispielsweise aus Formgedächtnislegierungen, pneumatischen Aktuatoren oder hydraulischen Pumpen.

Die Einsatzmöglichkeiten von Formdisplays sind vielfältig. Ein prominenter Anwendungsfall sind Benutzeroberflächen, bei denen diese Anzeigen die Interaktion und das Benutzererlebnis verbessern können. Stellen Sie sich ein Smartphone mit einem Formdisplay vor, das taktiles Feedback für verschiedene Funktionen gibt, wodurch sich Tasten deutlicher anfühlen, oder eine Spielekonsole mit Controllern, die sich physisch an die Spielumgebung anpassen. Darüber hinaus haben Formdarstellungen erhebliche Auswirkungen auf Virtual-Reality- und Augmented-Reality-Anwendungen, da sie es Benutzern ermöglichen, virtuelle Objekte realistischer zu fühlen und mit ihnen zu interagieren.

Trotz der spannenden Möglichkeiten stoßen aktuelle Formanzeigesysteme auf einige erhebliche Einschränkungen, die ihre weitverbreitete Einführung behindern. Eine zentrale Herausforderung ist die relativ geringe Auflösung der Displays. Die Erstellung komplizierter Formen oder hochauflösender Texturen erfordert eine große Anzahl einzelner Aktuatoreinheiten, deren Implementierung technisch anspruchsvoll und teuer sein kann. Darüber hinaus sind die Aktualisierungsraten von Formanzeigen tendenziell langsamer als die von normalen Bildschirmen, was zu sichtbaren Verzögerungen bei der Transformation von Formen oder der Aktualisierung von Texturen führt. Viele Formanzeigen sind auch auf große externe Systeme zur Antriebssteuerung angewiesen, die sperrig und umständlich sein können und die Bereiche praktischer Anwendung einschränken.

Eine innovative neue Formanzeige, die von Forschern der University of Colorado Boulder entwickelt wurde, überwindet viele Einschränkungen bestehender Systeme. Diese Arbeit könnte eine neue Generation von hochauflösenden Formdisplays mit schnellen Bildwiederholraten ermöglichen. Das Soft-Roboter-Display verfügt außerdem über einen Mechanismus zur Erkennung von Berührungen mit hoher Genauigkeit und implementiert ein Steuerungssystem, das eine individuelle Betätigung jedes Pixels ermöglicht. Und ganz wichtig: Dieses Display benötigt kein großes externes System, um es anzusteuern.

Die Forscher entwarfen ein 10 x 10-Gitter aus HASEL-Aktuatorzellen (Hydraulisch verstärkte selbstheilende elektrostatische Zellen). Diese sanften elektrohydraulischen Aktuatoren sind sowohl leistungsstark als auch in der Lage, mit hoher Frequenz zu betätigen. Eine elastische Oberflächenhaut dient als Barriere zwischen diesen Zellen und der Außenumgebung. Ein störungsfreier magnetbasierter Sensor, der in die oberste Schicht eingebettet ist, wurde genutzt, um Verformungen der Oberflächenhaut zu erkennen und Berührungen mit sehr hoher Präzision zu erkennen.

Das resultierende Display weist eine relativ hohe Auflösung auf, zumindest im Vergleich zu bestehenden Technologien. Außerdem wurde eine Bildwiederholfrequenz von bis zu 50 Hz nachgewiesen, was für Shape-Displays außerordentlich gut ist und sogar mit der Geschwindigkeit mithalten kann, mit der normalerweise Videos abgespielt werden. Und das innovative Berührungserkennungssystem macht externe kamerabasierte Systeme überflüssig, die üblicherweise in solchen Geräten verwendet werden. Es wurde ein einheitliches Steuerungssystem entwickelt, das alle Pixel steuern konnte, sodass ein integrierter Mikrocontroller anstelle eines externen Computersystems die Steuerung des Displays übernehmen konnte.

Es wurde eine Reihe von Experimenten durchgeführt, bei denen gezeigt wurde, dass das Display beispielsweise in der Lage ist, einen Ball in einem programmierten Muster über seine Oberfläche zu bewegen. Es könnte auch Lauftext anzeigen und auf Berührungen von Benutzern mit einer Empfindlichkeit von 0,1 mm reagieren. In einer fortgeschritteneren Demonstration wurde eine Banane auf einen Teil des Displays gelegt, während sie das Gewicht berechnete und den Wert in einem anderen Bereich des Bildschirms anzeigte. Es wurde auch gezeigt, dass die schnelle Betätigung genutzt werden kann, um ein Fläschchen mit Flüssigkeit zu schütteln und zu mischen.

Während für den Betrieb keine komplexen externen Systeme erforderlich sind, zeigten die Forscher, dass durch das Hinzufügen einer Kamera zusätzliche Funktionen freigeschaltet werden können. In einem Fall wurden farbige Kugeln auf die Oberfläche des Displays gelegt und sortiert, wobei jede Farbe in eine eigene Ecke verschoben wurde.

Zukünftig möchte das Team seine Methoden auf größere Displays mit höherer Pixeldichte skalieren. Sie hoffen auch, die Verwendung ihrer Formdarstellung in anderen weichen Robotern mit hohem Freiheitsgrad wie Kontinuumsmanipulatoren und bioinspirierten Systemen zu erforschen.