Kraftsensoren galten lange als Kompromiss aus Sensitivität und Stabilität. Force Sensing Impedance etabliert mit einer Polymer Nanokomposite (PNC) eine neue impedanzbasierte Klasse der Kraftsensorik. 

Dünne, flexible Kraftsensoren sind heute unverzichtbar in Robotik, Medizintechnik, Sportanalyse und industrieller Automatisierung. Gleichzeitig stoßen konventionelle Messmethoden unter realen Betriebsbedingungen an systemische Grenzen. Dauerhafte Belastungen, hohe Spitzenkräfte oder wiederholte Lastzyklen verändern die Materialeigenschaften und damit das elektrische Antwortverhalten, wodurch der Kalibrieraufwand steigt und die Lebensdauer gekürzt wird. 

Der zentrale Zielkonflikt bleibt bestehen: Konventionelle dünne Sensoren verlieren unter Belastung an Langzeitstabilität. Mechanische Überdimensionierung oder komplexe Korrekturalgorithmen können die Auswirkungen reduzieren - das zugrunde liegende physikalische Problem bleibt jedoch bestehen. Genau hier setzt die FSI-Technologie an - entwickelt vom Chemnitzer Unternehmen NanoSen. 

Eine neue elektrische Messgröße 

FSI definiert die Kraftmessung neu. Statt Widerstands- oder Kapazitätsänderungen isoliert auszuwerten, basiert die Technologie auf der vollständigen Impedanzänderung eines speziell entwickelten Polymer Nanokomposite (PNC) Materials. Mechanische Belastung ändert dabei gleichzeitig die resistiven und kapazitiven Eigenschaften des Materials. Diese Erweiterung wirkt sich unmittelbar auf das Gesamtsystem aus. Dank des medizintechnischen Silikons als PNC-Basis bleibt das Signal auch unter langfristiger zyklischer oder statischer Beanspruchung stabil und reproduzierbar. Der Bedarf an nachgelagerten Kalibrierungen sinkt deutlich. Für Entwickler bedeutet das: eine vereinfachte Systemarchitektur und reproduzierbare Messergebnisse über lange Einsatzzeiten. 

Material als Fundament 

Mit einer Stärke von nur 0,4 mm ist das PNC-Material sehr dünn, bleibt mechanisch jedoch hoch belastbar mit einer geprüften Überlastgrenze von 20 MPa. Ein 20-mm-Sensor reagiert auf Kräfte von 0,01 N bis 200 N und vereint damit hohe Sensitivität mit einem großen Messbereich. Selbst nach 20 Millionen Lastzyklen bei 200 N zeigt das PNC-Material keine erkennbare Degradation. Eine konstante Dauerbelastung von 180 N läuft seit über einem Jahr stabil. Die außergewöhnliche Stabilität ist materialbedingt: In die elastische Silikonmatrix integrierte Kohlenstoffnanopartikel bilden ein dauerhaft belastbares, elektrisch aktives Netzwerk. 

Vom Sensor zur Plattform 

Force Sensing Impedance ist kein einzelnes Sensorelement, sondern ein skalierbares Plattformprinzip. Als PNC-Halbzeug lässt sich das Material in unterschiedlichste Geometrien und Architekturen integrieren - vom kompakten Einzelpunktsensor bis hin zu komplexen Mehrpunkt-Systemen. Das zugrunde liegende Messprinzip bleibt dabei unverändert. Entwickler können auf ein sofort einsatzbereites Sensor Kit zurückgreifen oder das PNC-Material direkt in eigene Konstruktionen integrieren. Für Serienanwendungen steht das Material in großskalierbaren Stückzahlen zur Verfügung und unterstützt eine reproduzierbare Integration in bestehende Systemarchitekturen. 

Hochauflösende Kraftverteilung 

Besonders deutlich wird das Potenzial der Technologie im Matrixdesign. Mehrpunktarchitekturen ermöglichen die Erfassung komplexer Kraftverteilungen in Echtzeit. Mit dem Force Matrix Kit bietet NanoSen ein vollständiges Evaluierungssystem zur hochauflösenden Kraftverteilung - basierend auf einer inkludierten 6×6-Matrix, skalierbar auf bis zu 100 Sensorpunkte. Die aktive elektrische Crosstalk-Elimination gewährleistet stabile, reproduzierbare Messwerte selbst bei dichter Sensoranordnung. Gerade mit steigender Sensorpunktzahl stoßen viele etablierte Konzepte an architektonische Grenzen: Signalüberlagerungen, Drift und wachsende Systemkomplexität erschweren die zuverlässige Auswertung. Die von NanoSen entwickelte Plattformarchitektur adressiert diese Grenzen konstruktiv und ermöglicht hochauflösende, skalierbare Kraftverteilungssysteme bei gleichzeitig stabiler Signalqualität. 

Robotische Greifsysteme 

In robotischen Greifern entscheidet nicht allein die gemessene Gesamtkraft über Prozesssicherheit, sondern wie präzise sich die tatsächliche Lastverteilung zwischen Greifer und Objekt, insbesondere unter dynamischen Bedingungen, abbilden lässt. 

Die FSI-Matrix wurde für Anwendungen in der Robotik gezielt skaliert. Sie erfasst Interaktionen als hochauflösendes Kontaktmuster in Echtzeit und bleibt auch bei wiederholter Belastung reproduzierbar. Selbst kleine Auflageflächen oder komplexe Geometrien lassen sich differenziert darstellen. Lastverteilungen können kontinuierlich analysiert und Greifstrategien gezielt angepasst werden. Kraft wird damit vom Messwert zur belastbaren Regelinformation. 

Sport, Analyse und Medizin 

In Sport- und Bewegungsanalysen lassen sich dynamische Belastungsverläufe präzise erfassen und auswerten. Die zugrunde liegende Materialplattform ist für bis zu 20 Millionen Lastzyklen ausgelegt. Ein Demonstrator mit integrierter Schuhsohle zeigt, wie sich Kräfte beim Gehen oder Laufen über den gesamten Bewegungsablauf hinweg verändern. Lastspitzen und Druckzonen werden sichtbar und eröffnen neue Möglichkeiten für langfristig stabile biomechanische Analysen. 

Auch in medizinischen Anwendungen bietet die Technologie klare Vorteile. Durch die hohe Sensitivität bei gleichzeitig mechanischer Belastbarkeit kann die Sensorik beispielsweise in Matratzen oder Sitzsysteme integriert werden, um Druckverteilungen zu überwachen. Belastungen lassen sich kontinuierlich analysieren, ohne Komfort oder Struktur des Systems zu beeinträchtigen. Die hohe Materialstabilität ermöglicht dabei eine dauerhafte Integration ohne häufige Rekalibrierung oder Sensoraustausch. 

Exklusiver Einblick: Gen II 

Über flexible Dünnfilm-Anwendungen hinaus erschließt FSI auch strukturell integrierte Industrieanwendungen. Mit der zweiten Sensorgeneration gibt NanoSen in diesem Beitrag erstmals öffentlich Einblick in eine weiterentwickelte Sensorarchitektur, die kapazitive Einflüsse auf Systemebene gezielt reduziert und die impedanzbasierte Auswertung weiter stabilisiert. In Kombination mit einem neu entwickelten Kraftaufnehmer entsteht ein besonders widerstandsfähiges Konzept für Prozess- und Zustandsüberwachung. Das PNC-Material wird direkt durch die Deformierung des Gehäuses komprimiert und ermöglicht eine langfristige Überwachung selbst unter hohen und wiederholten Belastungen. FSI erweitert damit das Anwendungsspektrum für klassische Zustandsüberwachungsszenarien in der industriellen Infrastruktur. 

Dünner Sensoraufbau, Sensitivität, Stabilität und Plattformarchitektur werden hier nicht gegeneinander abgewogen, sondern systematisch vereint. Force Sensing Impedance setzt damit einen neuen Maßstab für dünne, robuste und skalierbare Kraftsensorarchitekturen. Auf der SENSOR+TEST im Young Innovators Bereich (Halle 1, Stand 1-219) zeigt NanoSen, wie sich dieses Prinzip in einer konsistenten Kraftmessplattform realisieren lässt.