Neue elektronische Haut kann wie menschliche Haut auf Schmerz reagieren

Künstliche Haut kennt den Unterschied, ob man einen Stift sanft mit dem Finger berührt oder sich versehentlich damit sticht - ein entscheidender Vorteil, der noch nie zuvor elektronisch erreicht wurde

07.09.2020 - Australien

Forscher haben eine elektronische künstliche Haut entwickelt, die genau wie echte Haut auf Schmerzen reagiert und so den Weg für bessere Prothesen, intelligentere Robotertechnik und nicht-invasive Alternativen zu Hauttransplantationen ebnet.

Der von einem Team an der RMIT-Universität in Melbourne, Australien, entwickelte Geräteprototyp kann die Art und Weise, wie menschliche Haut Schmerz empfindet, elektronisch nachbilden.

Das Gerät ahmt die nahezu sofortige Rückkopplungsreaktion des Körpers nach und kann auf Schmerzempfindungen mit derselben Lichtgeschwindigkeit reagieren, mit der Nervensignale an das Gehirn weitergeleitet werden.

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Der leitende Forscher Professor Madhu Bhaskaran sagte, der schmerzempfindliche Prototyp sei ein bedeutender Fortschritt in Richtung biomedizinischer Technologien der nächsten Generation und intelligenter Robotik.

"Die Haut ist das grösste Sinnesorgan unseres Körpers, mit komplexen Funktionen, die so gestaltet sind, dass sie schnelle Warnsignale aussenden, wenn etwas wehtut", sagte Bhaskaran.

"Wir nehmen ständig Dinge durch die Haut wahr, aber unsere Schmerzreaktion setzt erst an einem bestimmten Punkt ein, etwa wenn wir etwas zu heiß oder zu scharf berühren.

"Keine elektronische Technologie war bisher in der Lage, dieses sehr menschliche Schmerzempfinden realistisch nachzuahmen - bis jetzt."

"Unsere künstliche Haut reagiert sofort, wenn Druck, Hitze oder Kälte eine schmerzhafte Schwelle erreichen."

"Es ist ein entscheidender Schritt vorwärts in der zukünftigen Entwicklung der hochentwickelten Rückmeldesysteme, die wir brauchen, um wirklich intelligente Prothetik und intelligente Robotik zu liefern."

Funktionelle Sensor-Prototypen

Neben dem schmerzempfindlichen Prototyp hat das Forschungsteam auch Geräte mit dehnbarer Elektronik entwickelt, die Temperatur- und Druckänderungen wahrnehmen und darauf reagieren können.

Bhaskaran, Co-Leiter der Gruppe Funktionsmaterialien und Mikrosysteme am RMIT, sagte, dass die drei funktionalen Prototypen so konzipiert seien, dass sie wichtige Merkmale der Sensorfähigkeit der Haut in elektronischer Form liefern.

Mit weiterer Entwicklung könnte die dehnbare künstliche Haut auch eine zukünftige Option für nicht-invasive Hauttransplantationen sein, bei denen der traditionelle Ansatz nicht praktikabel ist oder nicht funktioniert.

"Wir brauchen weitere Entwicklungen, um diese Technologie in biomedizinische Anwendungen zu integrieren, aber die Grundlagen - Biokompatibilität, hautähnliche Dehnbarkeit - sind bereits vorhanden", sagte Bhaskaran.

Wie man elektronische Haut herstellt

Die neue Forschung, die in Advanced Intelligent Systems veröffentlicht und als vorläufiges Patent angemeldet wurde, kombiniert drei Technologien, die zuvor vom Team entwickelt und patentiert wurden:

Dehnbare Elektronik: Die Kombination von Oxidmaterialien mit biokompatiblem Silikon ermöglicht transparente, unzerbrechliche und tragbare Elektronik, die so dünn wie ein Aufkleber ist.
Temperaturreaktive Beschichtungen: selbstmodifizierende Beschichtungen, die 1.000-mal dünner als ein menschliches Haar sind und auf einem Material basieren, das sich als Reaktion auf Wärme umwandelt.
Gehirnähnliches Gedächtnis: elektronische Speicherzellen, die die Art und Weise imitieren, wie das Gehirn das Langzeitgedächtnis nutzt, um frühere Informationen abzurufen und zu speichern.

Der Prototyp des Drucksensors kombiniert dehnbare Elektronik und Langzeitspeicherzellen, der Wärmesensor bringt temperaturreaktive Beschichtungen und Speicher zusammen, während der Schmerzsensor alle drei Technologien integriert.

Der promovierte Forscher Md Ataur Rahman sagte, dass die Gedächtniszellen in jedem Prototyp dafür verantwortlich seien, eine Reaktion auszulösen, wenn der Druck, die Hitze oder der Schmerz eine festgelegte Schwelle erreichten.

"Wir haben im Wesentlichen die ersten elektronischen Somatosensoren entwickelt, die die Schlüsselmerkmale des komplexen Systems von Neuronen, Nervenbahnen und Rezeptoren im Körper nachbilden, die unsere Wahrnehmung von Sinnesreizen steuern", sagte er.

"Während einige bestehende Technologien elektrische Signale verwendet haben, um verschiedene Schmerzniveaus zu imitieren, können diese neuen Geräte auf echten mechanischen Druck, Temperatur und Schmerz reagieren und die richtige elektronische Reaktion liefern."

"Das bedeutet, dass unsere künstliche Haut den Unterschied kennt, ob man einen Stift sanft mit dem Finger berührt oder sich versehentlich damit sticht - ein entscheidender Unterschied, der noch nie zuvor elektronisch erreicht wurde."

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