Sensoren – eine der wichtigsten Zutaten für eine digitale, hochtechnisierte Zukunft

Ein Autofahrer legt den Rückwärtsgang ein. Selbst bei einem nicht sehr neuen oder hochklassigen Fahrzeug wird damit wahrscheinlich ein Stromkreis geschlossen. Einer, aufgrund dessen bei Annäherung an ein Hindernis aus den Lautsprechern ein immer drängender werdendes „PIEP, PIEP, PIEPPIEP, PIEPPIEPIIIIIII“ ertönt.

Ein solcher Rückfahrassistent ist der vielleicht einfachste Beweis dafür, wie wichtig Sensoren sind, wenn wir in einer Welt leben möchten, in der uns Technik möglichst viele Aufgaben abnehmen soll – entweder ohne Abstriche oder gleich besser, als wir es vermögen. Doch welche Bereiche können Sensoren abdecken? Und: Was haben menschliche Sinne damit zu tun?

Menschliche Sinne – die neun Biosensoren

Der Mensch mag an der Spitze des Planeten stehen, weil das menschliche Gehirn eine enorme Leistungsfähigkeit besitzt. Allerdings haben seine Sinne zweifelsohne einen nicht zu vernachlässigenden Anteil am evolutionären Erfolg.

Fangen wir mit der Anzahl an: Ungleich zu diversen Sprich- und geflügelten Wörtern hat der Mensch mehr als nur fünf Sinne – diese markieren wir in der folgenden Liste in Fettschrift. Es sind

• Hören
• Riechen
• Schmecken
• Sehen
• Tasten
• Gleichgewicht
• Schmerzempfinden
• Temperatursinn
• Lage- und Bewegungssinn

Strenggenommen kommen hier noch weitere Empfindungen hinzu, die sich theoretisch den Sinnen bzw. Sinnesempfindungen zuordnen ließen. Etwa Hunger und Durst oder das Gefühl für Zeit. Die Forschung zählt diese jedoch nicht als eigene Sinne, weil dafür bislang keine Rezeptoren in unserem Körper bekannt sind.

Doch was haben unsere Sinne mit Sensoren zu tun? Ganz einfach – das Wort „Rezeptoren“ gibt bereits Auskunft: Ein Sensor, als ein technisches Bauteil, ist letzten Endes häufig nichts anderes als ein prinzipielles Äquivalent zu den menschlichen (oder generell tierischen) Rezeptoren.

Anders gesprochen: Ein elektronisch-digitaler Kamerasensor, der Licht in ein elektrische Signal umwandelt, repliziert auf technischem Wege (und funktionell sehr dicht am Original) die Arbeitsweise der Fotorezeptoren im Auge. Diese machen im Prinzip nichts anderes, als ebenfalls Licht in Elektrosignale zu wandeln.

Was daran so wichtig ist, liegt auf der Hand: Technik soll den Menschen unterstützen, ergänzen, teilweise ersetzen. Das gelingt jedoch nur, wenn es Sensoren gibt, die mindestens dazu in der Lage sind, unsere Sinne technisch zu replizieren. Allerdings gehen die Ansprüche an heutige und zukünftige Sensoren noch deutlich weiter.

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Besser sein als der Mensch – Anforderungen an Sensoren

Das führende Sensor-Portal diribo.com ist eine der wichtigsten Plattformen der Sensor-Industrie. Ein Blick auf die Seiten genügt, um eines festzustellen: Das, was sich bereits mit heutigen Sensoren „aufnehmen“ oder „technisch empfinden“ lässt, ist ungleich vielfältiger als das, was wir von unseren Sinnen kennen – oder generell dem Tierreich.

Bleiben wir zum besseren Verständnis der dahinterstehenden Gründe beim Homo Sapiens. Denn unsere Sensorik ist von einigen Tatsachen geprägt, die Maschinen schlichtweg unnötig einschränken oder verkomplizieren würden:

• Das menschliche Gehirn hatte Jahrmillionen der Evolution Zeit, um zu lernen, die Eingaben mehrerer Sinne zu verarbeiten, korrekt zu interpretieren und in passende Signale umzusetzen. Diese Komplexität ist beispielsweise Hauptgrund dafür, warum es bis heute dauert, zweibeinige Roboter zu entwickeln, die sich genau so rasch und sicher fortbewegen können wie ein Mensch – ungeachtet des Untergrundes. Daher ist es bei Sensoren vielfach besser, das, was einzelne menschliche Sinne registrieren, auf mehrere Sensoren zu verlagern.
• Für verschiedene Aufgaben mangelt es unseren Sinnen an der nötigen Präzision. Beispielsweise kann unsere Haut sehr wohl Temperaturen empfinden. Allerdings ist sie dabei reichlich unpräzise – Unterschiede von weniger als einigen Grad Celsius können wir nicht merken; zumal noch persönliches Empfinden eine Rolle spielt. Sensoren dagegen können in jeglicher Hinsicht akkuratere Werte liefern bis hinab zu vielen Nachkommastellen.
• Das menschliche und generell tierische Spektrum einzelner Sinne ist limitiert. Beispielsweise kann das menschliche Auge zwar Farben recht gut sehen, dafür aber nur einen bestimmten Frequenzbereich des Lichts – das „sichtbare Licht“. Andere Tiere können dagegen Farben nicht sehen, dafür aber stärker im infraroten Bereich. Möglichst „breitbandige“ Sensoren sind vergleichsweise einfach zu konstruieren und dadurch natürlich leistungsfähiger.
• Für manches gibt es beim Menschen (oder sogar überhaupt in der Natur) keine Sinne. Beispielsweise den prozentualen Staubgehalt in Luft, radioaktive Strahlung oder Radiowellen. Der Bedarf, derartiges wahrnehmen zu können, besteht jedoch je nach Anforderung definitiv.

Hier setzt die Technik an: Dank ihr ist es möglich, Sensoren zu fertigen, die mindestens an einem der vier genannten Punkte schlichtweg besser sind als das, was Mutter Natur bislang ersonnen hat.

Nicht zuletzt ist es hierbei nötig, das größere Ganze zu betrachten. So ist es aktuell, bis auf einige Erfolge in Laboren, schlicht kaum möglich, die Signale von menschlichen oder tierischen Sinnesrezeptoren aufzunehmen und anderweitig darzustellen. Beispielsweise die Signale des Auges „abzugreifen“ und in einen Computer einzuspeisen und von dort auf einem Bildschirm darzustellen.

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Sensoren als Grundbedingung für einige der wichtigsten Zukunftstechniken

Das bedeutet letztlich nichts anderes, als dass verschiedenste Sensoren „die“ zentrale Schlüsseltechnik sein werden, ohne die zahlreiche Zukunftsvisionen nicht funktionieren.

Nehmen wir als ein breitbekanntes Beispiel das vollautonome Fahren der höchsten Grade – also entweder mit tiefschlafendem „Fahrer“ oder gänzlich ohne Lenker. Hier sind gleich mehrere Sensoren zwingend erforderlich, damit das mindestens so sicher funktioniert wie beim Menschen:

• Optische Sensoren für das „Sehen“ – idealerweise in einem 360-Grad-Vollkreis um das Auto herum und unter allen Lichtverhältnissen.
• Distanzmessende Sensoren, um korrekte Abstände zu halten, rechtzeitig zu bremsen etc.
• Beschleunigungssensoren, um die Eingaben anderer Sensoren abgleichen zu können – etwa zur Fahrgeschwindigkeit, Kurvenwinkel etc.
• Orientierungssensoren, welche die nicht ausreichend präzisen Informationen von GPS ergänzen. Dazu gehören – je nach System – Eingaben der optischen Sensoren gepaart mit solchen, die beispielsweise Funksignale detektieren können.

Natürlich, die Sensoren allein können hier nur die wichtigen Daten eingeben. Sie zu einem großen Ganzen zu verarbeiten und in richtige Steuerbefehle umzusetzen, obliegt einer enormen Rechenkapazität. Die Sensoren sind jedoch nicht weniger als ein völlig unverzichtbares Glied.

Allerdings sei deutlich unterstrichen, dass das autonome Fahren nur eine von vielen weiteren Anwendungen ist, mit denen man ganze Bücherwände füllen könnte. Ein weiteres Beispiel sind etwa Solarsysteme. Sie können durch Sensoren mit einem entsprechenden Unterbau ungeachtet von Tageszeit und Jahreszeit exakt auf die Sonne ausgerichtet werden – und so ständig einen maximalen Ertrag liefern.

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Fail Safe und mehr – Ansprüche an den Aufbau von Sensoren

Viele Sensoren werden in Umgebungsbedingungen benutzt, die sehr belastend sind. Seien es Temperaturextreme, Vibrationen, die Messeindrücke verfälschende Schmutzablagerungen – oder vieles mehr.

Weil so viele Sensoren in entweder sicherheits- oder kostenrelevanten Bereichen eingesetzt werden, ergibt sich deshalb eine hohe Vielfalt von Ansprüchen, die diese auf einer technischen Ebene erfüllen müssen – nicht bloß bezogen auf die reine Leistungsfähigkeit. Dies wären beispielsweise:

• Kompaktheit
• Geringes Gewicht
• Einfache Wartung oder sehr lange Wartungsintervalle
• Einfache Reparierbarkeit oder enorme Ausfallsicherheit
• Geringer Energieverbrauch
• Skalierbarkeit
• Verbindungsflexibilität bzw. Interkonnektivität
• Aufrüstbarkeit

Und das natürlich noch zu einem möglichst günstigen Preis. Bei manchen Sensoren lässt sich das leicht umsetzen. Bei anderen jedoch ist speziell die Verbindung von teils widersprüchlichen Ansprüchen eine ingenieurstechnische Mammutaufgabe – die deshalb Entwickler rund um den Globus noch für lange Zeit beschäftigen wird.

Fazit

Sensoren machen im Prinzip nichts anderes als das, was die Sinnesrezeptoren der Natur machen: Sie erfassen einen bestimmten äußeren Umstand und machen ihn somit für etwas anderes verwertbar. Das ist nicht zuletzt deshalb beeindruckend, weil die Natur viele Millionen Jahre Zeit hatte, diese Sinnesrezeptoren zu verfeinern. Seitdem jedoch der erste menschgemachte Sensor entwickelt wurde, vergingen aktuell nicht einmal 200 Jahre – 1829 wurde der erste praktisch nutzbare Temperatursensor ersonnen, der den kürzlich zuvor entdeckten thermoelektrischen Effekt nutzte.

Angesichts dieser relativ kurzen Zeit ist das heutige Standing erstaunlich. Denn man muss ernsthaft fragen, was Sensoren noch nicht erfassen oder messen können – viel ist es nicht. Das ist jedoch für die weitere Zukunft unverzichtbar. Denn egal ob autonomes Fahren oder eine vollständig regenerative Welt, ohne Sensor wäre alles davon bloß Science-Fiction.