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Neue "künstliche Haut" Schritte in Richtung Touch-Feedback für künstliche Gliedmaßen

Ein Team von Ingenieuren der Stanford University in Kalifornien hat ein Kunststoffmaterial entwickelt, das Druck erkennt und ein Signal direkt an eine lebende Gehirnzelle sendet. Sie sagen, ihre Arbeit dient als ein Schritt zur Schaffung von künstlichen Gliedmaßen mit dem Tastsinn.
Die Schaffung der neuen "künstlichen Haut" stellt einen Schritt zu prothetischen Gliedern dar, die Berührung spüren können.
Bildnachweis: Bao Lab / Stanford University

Die Ingenieure, geleitet von Prof. Zhenan Bao, veröffentlichen ihre Arbeit in der Zeitschrift Wissenschaft.

Prof. Bao arbeitet seit einem Jahrzehnt daran, ein Material zu entwickeln, das die Fähigkeit der Haut, sich zu beugen und zu heilen, imitiert und Signale an das Gehirn sendet, die Berührung, Temperatur und Schmerz repräsentieren. Ihr Endziel ist es, ein flexibles Gewebe zu schaffen, das mit Sensoren versehen ist, die eine künstliche Gliedmaße bedecken und einige der Sinne der Haut kopieren.

Die Technik des Teams besteht aus einem Kunststoffaufbau mit zwei Schichten. Die oberste Schicht hat einen Sensormechanismus, und die untere Schicht arbeitet wie eine Schaltung, sendet elektrische Signale und überträgt sie in Nachrichten für Nervenzellen.

In ihrer neuen Arbeit verfügt die oberste Schicht über einen Sensor, der wie menschliche Haut den Druck erkennt und Druckunterschiede zwischen einem leichteren Fingertipp und einem festen Händedruck erkennt.

Laut dem Team beruht die menschliche Haut auf Rezeptoren, die digitale Signale für "taktile Wahrnehmung" senden, in denen die variierenden Drücke in eine Reihe von Spannungsimpulsen umgewandelt werden.

"Dies ist das erste Mal, dass ein flexibles, hautähnliches Material Druck erkennen und auch ein Signal an eine Komponente des Nervensystems übertragen kann", sagt Prof. Bao.

Sensorische Information gesendet wie Morsecode

Vor etwa 5 Jahren beschrieb das Team erstmals, wie Kunststoffe und Kautschuke als Drucksensoren eingesetzt werden können, indem die Flexibilität ihrer molekularen Strukturen gemessen wird. Sie konnten diese Druckempfindlichkeit erhöhen, indem sie ein Waffelmuster in den Kunststoff einbauten und die molekularen Federn des Kunststoffs weiter kondensierten.

Um diese Drucksensibilität elektronisch zu nutzen, breiten die Forscher Milliarden von Kohlenstoff-Nanoröhren durch den Kunststoff aus. Sie erklären, dass das Zusammendrücken des Plastiks die Nanoröhrchen noch enger zusammenquetscht, wodurch sie Elektrizität leiten können.

Auf diese Weise konnte der Kunststoffsensor die menschliche Haut und die Art und Weise, wie sie Druckinformationen an das Gehirn weitergibt, in Form von kurzen Stromimpulsen - ähnlich wie beim Morsealphabet - imitieren.

Die kurzen Impulse werden dann zu einem Erfassungsmechanismus gesendet. Durch das Entfernen von Druck entspannt sich der Impulsstrom - was eine leichte Berührung nahelegt - während der gesamte Druck weggenommen wird, werden die Impulse gestoppt. Prof. Bao und ihr Team haben dann den Sensormechanismus mit der zweiten Schicht ihrer künstlichen Haut verbunden, die elektrische Impulse zu Nervenzellen transportieren kann.

Ihre letzte Aufgabe bestand darin, zu beweisen, dass das elektrische Signal von einem biologischen Neuron erkannt werden kann. Sie taten dies mithilfe einer Technik, die von einem Stanford-Professor für Bioingenieurwesen - Karl Deisseroth - entwickelt wurde, der Pionier in der Optogenetik war, einem Feld, das Genetik und Optik miteinander verbindet.

"Eine Menge Arbeit" noch zu tun

Um ihre Aufgabe zu erfüllen, entwickelten die Forscher eine Linie von Neuronen, die einen Teil des menschlichen Nervensystems replizieren, indem sie elektronische Drucksignale von ihrer künstlichen Haut in Lichtimpulse übersetzen. Dies wiederum aktiviert die Neuronen und beweist, dass die Haut eine sensorische Ausgabe erzeugen kann, die mit Nervenzellen kommunizieren kann.

Obwohl diese Technik mit Optogenetik experimentell ist, sagen die Forscher, dass andere stimulierende Methoden wahrscheinlich in echten künstlichen Gliedmaßen verwendet werden. Sie möchten schließlich verschiedene Sensoren schaffen, die den Gliedmaßen beispielsweise die Möglichkeit geben, den Unterschied zwischen Cord und Seide zu erkennen.

"Wir haben viel zu tun, um dies von experimentellen zu praktischen Anwendungen zu bringen", sagt Prof. Bao. "Aber nachdem ich viele Jahre in dieser Arbeit verbracht habe, sehe ich jetzt einen klaren Weg, wo wir unsere künstliche Haut nehmen können."

Die Autoren schließen ihre Arbeit ab mit:

"Diese Arbeit stellt einen Schritt hin zum Design und zur Verwendung von großflächigen organischen elektronischen Skins mit neuronal integrierter Berührungsrückkopplung für Ersatzglieder dar."

Letztes Jahr, Medizinische Nachrichten heute berichteten über die erfolgreiche Entwicklung einer vom Gehirn gesteuerten Armprothese.

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