Künstliche Haut, die fühlt und sich dehnt, wie die echte Haut

Einige Hightech-Prothesen können von ihren Besitzern mithilfe von Nerven, Muskeln oder sogar dem Gehirn gesteuert werden. Der Träger kann jedoch nicht erkennen, ob ein Gegenstand brühend heiß ist oder aus dem Griff des Anhängsels rutschen wird.





Dieser mit Elektronik beladene Handschuh besteht aus Materialschichten mit dehnbaren Gold- und Siliziumsensoren.

Materialien, die Hitze, Druck und Feuchtigkeit erkennen, könnten dazu beitragen, dies zu ändern, indem sie Prothesen mit sensorischen Fähigkeiten ausstatten. Eine Gruppe koreanischer und US-amerikanischer Forscher hat nun ein Polymer entwickelt, das die elastischen und hochauflösenden sensorischen Fähigkeiten echter Haut nachahmen soll.

Das Polymer ist mit dichten Netzwerken von Sensoren aus ultradünnem Gold und Silizium durchzogen. Das normalerweise spröde Silizium ist in serpentinenförmigen Formen konfiguriert, die sich verlängern können, um eine Dehnbarkeit zu ermöglichen. Details der Arbeit werden heute in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation .



Dehnbare Sensormaterialien werden seit Jahren entwickelt (siehe Dehnbares Silizium und Dehnbare Elektronik herstellen). Mit bis zu 400 Sensoren pro Quadratmillimeter ist dies jedoch das bisher empfindlichste Material.

Wenn Sie diese Sensoren mit hoher Auflösung über dem Finger haben, können Sie die gleiche taktile Berührung geben, die die normale Hand dem Gehirn vermitteln würde, sagt Roozbeh Ghaffari, der an der Forschung mitgewirkt hat und die Entwicklung fortschrittlicher Technologien leitet MC10 , ein Startup in Cambridge, Massachusetts, entwickelt tragbare Produkte auf Basis flexibler, sensorbeladener Materialien.

Darüber hinaus haben die Forscher die Sensoren so eingestellt, dass sie die richtigen Dehnungsbereiche haben, je nachdem, wo sie sich auf einer Hand befinden würden. Sie verwendeten Motion-Capture-Kameras, um zu untersuchen, wie sich eine echte Hand bewegt und dehnt, und brachten dann verschiedene Silikonformen an verschiedenen Stellen auf der Haut der Prothese an, um dieser Dehnbarkeit Rechnung zu tragen.



Ein Stück des Prototyps Smart Skin mit integrierten Sensoren wird um 20 Prozent gedehnt.

Um die Materialien realistischer erscheinen zu lassen, fügten sie schließlich eine Schicht von Aktuatoren hinzu, die sie auf ungefähr die gleiche Temperatur wie die menschliche Haut erwärmen.

Die neue intelligente Haut adressiert nur einen Teil der Herausforderung, Prothesen Sensation zu verleihen. Das größere Problem besteht darin, dauerhafte und robuste Verbindungen zum menschlichen Nervensystem herzustellen, damit der Träger tatsächlich fühlen kann, was wahrgenommen wird.



In einer groben Demonstration einer solchen Schnittstelle verband Dae-Hyeong Kim, die das Projekt an der Seoul National University leitete, die intelligente Haut mit dem Gehirn einer Ratte und konnte Reaktionen im sensorischen Kortex des Tieres auf sensorische Eingaben messen. Dies zeigte jedoch nicht, ob oder in welchem ​​Ausmaß die Ratte Hitze, Druck oder Feuchtigkeit verspürte. Um die genauen Arten von Gefühlen zu beschreiben, sagt Kim, müssen wir uns größeren Tieren zuwenden, was unsere zukünftige Arbeit wäre.

Es bleibe eine große Lücke zwischen dem, was die neuen Materialien leisten können, und dem, was bestehende Schnittstellen dem menschlichen Gehirn tatsächlich vermitteln können, sagt er Dustin Tyler , Professor für Biomedizintechnik an der Case Western Reserve University und Experte für neuronale Schnittstellen. Diese Proof-of-Concept-Demonstration ist interessant, aber es bleibt noch viel harte Arbeit, um die Robustheit und Leistung zu zeigen, die erforderlich sind, um dieses Gerät in brauchbare Handprothesen zu überführen, sagt er.

Erst kürzlich wurde bei einem Menschen eine Schnittstelle demonstriert, die in der Lage ist, die Empfindung wiederherzustellen, als Tyler und Kollegen einen Mann aus der Gegend von Cleveland, der seine Hand verloren hatte, mit einem solchen System ausstatteten (siehe An Artificial Hand with Real Feeling ). Der Mann konnte die Hand über eine Muskelschnittstelle steuern, und etwa 20 Sensoren an der Handprothese gaben ihm sensorische Informationen über die Elektrode zurück, die an einem Nerv in seinem Armstumpf befestigt war. Dadurch konnte er wissen, ob er etwas Weiches wie eine Kirsche aufgehoben hatte, und sich davon abhalten, die Frucht zu zerdrücken.



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