211service.com
Kunstmatige huid die voelt en zich uitrekt, zoals het echte ding
Sommige hightech prothetische ledematen kunnen worden bestuurd door hun eigenaars, met behulp van zenuwen, spieren of zelfs de hersenen. De drager kan echter niet zien of een voorwerp gloeiend heet is of op het punt staat uit de greep van het aanhangsel te glippen.
Deze met elektronica beladen handschoen is gemaakt van materiaallagen met rekbare goud- en siliconensensoren.
Materialen die warmte, druk en vocht detecteren, kunnen dit helpen veranderen door sensorische mogelijkheden toe te voegen aan protheses. Een groep Koreaanse en Amerikaanse onderzoekers heeft nu een polymeer ontwikkeld dat is ontworpen om de elastische en sensorische capaciteiten met hoge resolutie van echte huid na te bootsen.
Het polymeer is doordrenkt met dichte netwerken van sensoren gemaakt van ultradun goud en silicium. Het normaal brosse silicium is geconfigureerd in kronkelige vormen die kunnen worden verlengd om rekbaarheid mogelijk te maken. Details van het werk worden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .
Rekbare meetmaterialen zijn al jaren in ontwikkeling (zie Rekbaar silicium en Rekbare elektronica maken). Maar dit is het meest gevoelige materiaal tot nu toe, met maar liefst 400 sensoren per vierkante millimeter.
Als je deze sensoren met een hoge resolutie over de vinger hebt, kun je dezelfde tactiele aanraking geven die de normale hand naar de hersenen zou overbrengen, zegt Roozbeh Ghaffari, die heeft bijgedragen aan het onderzoek en aan het hoofd staat van geavanceerde technologieontwikkeling bij MC10 , een startup in Cambridge, Massachusetts, die draagbare producten ontwikkelt op basis van flexibele, met sensoren beladen materialen.
Bovendien hebben de onderzoekers de sensoren afgestemd om het juiste rekbereik te hebben, afhankelijk van waar ze zich zouden bevinden. Ze gebruikten motion-capture camera's om te bestuderen hoe een echte hand beweegt en uitrekt, en pasten vervolgens verschillende siliconenvormen toe op verschillende plekken op de prothetische huid om die rekbaarheid te accommoderen.
Een stuk van het prototype smart skin met geïntegreerde sensoren wordt met 20 procent uitgerekt.
Ten slotte hebben ze, in een verdere poging om de materialen realistischer te laten lijken, een laag actuatoren toegevoegd die het opwarmen tot ongeveer dezelfde temperatuur als de menselijke huid.
De nieuwe slimme huid pakt slechts een deel van de uitdaging aan: het toevoegen van sensatie aan prothetische apparaten. Het grotere probleem is het creëren van duurzame en robuuste verbindingen met het menselijke zenuwstelsel, zodat de drager daadwerkelijk kan voelen wat er wordt waargenomen.
In een ruwe demonstratie van zo'n interface verbond Dae-Hyeong Kim, die het project leidde aan de Seoul National University, de slimme huid met de hersenen van een rat en was in staat om reacties in de sensorische cortex van het dier op sensorische input te meten. Dit toonde echter niet aan of, en in welke mate, de rat warmte, druk of vocht voelde. Om de exacte soorten gevoelens te vertellen, zegt Kim, moeten we overstappen op grotere dieren, wat ons toekomstige werk zou zijn.
Er blijft een grote kloof tussen wat de nieuwe materialen kunnen doen en wat bestaande interfaces daadwerkelijk kunnen overbrengen naar het menselijk brein, zegt Dustin Tyler , een professor in biomedische technologie aan de Case Western Reserve University, en een expert in neurale interfaces. Deze proof-of-concept-demonstratie is interessant, maar er moet nog veel werk worden verzet om de robuustheid en prestaties te tonen die nodig zijn om dit apparaat te vertalen naar bruikbare prothesehanden, zegt hij.
Pas onlangs is een interface aangetoond die in staat is om sensatie te herstellen bij een mens, toen Tyler en collega's een man uit de regio Cleveland uitrusten die zijn hand verloor met een dergelijk systeem (zie An Artificial Hand with Real Feeling). De man kon de hand besturen met behulp van een spierinterface, en zo'n 20 sensoren op de handprothese stuurden sensorische informatie naar hem terug via de elektrode die aan een zenuw in zijn armstomp was bevestigd. Hierdoor wist hij of hij iets zachts als een kers had opgepakt en kon hij voorkomen dat hij de vrucht plette.