Wiederherstellung des Tastsinns: Fortschritte in der künstlichen Hauttechnologie

Gott und Adam, Gott und Adam berühren sich

Das Folgende ist der erste Teil einer Reihe über die Gehirn-Maschine-Integration und biomechanische Lösungen zur Wiederherstellung der Funktion von durch Krankheit, Trauma oder Zeit geschädigtem Gewebe.

Forscher haben in den letzten Jahren haptische Technologien entwickelt, um Berührungsempfindungen durch die Ausübung von Kräften auf einen Benutzer nachzubilden. Haptik wurde in der virtuellen Realität, Telerobotik, Computersimulationen und mehr implementiert.

Jüngste Fortschritte in der künstlichen Hauttechnologie könnten die haptische Technologie auf ein neues Niveau heben und es Menschen mit Prothesen wieder ermöglichen, Berührungsempfindungen zu spüren. Die Haut ist das größte Organ des Körpers. Es schützt unsere anfälligeren Organe vor Krankheitserregern, Ablagerungen, Strahlung und anderen Schäden. Seine andere Rolle ist jedoch weitaus komplizierter.

Die Berührungsempfindung entsteht durch ein Netzwerk von Neutronen, die in die Haut eingebettet sind und Signale von den äußersten Punkten unseres Körpers an unser Zentralnervensystem weiterleiten. Wenn Sie das Telefon, Tablet oder den Computer vor sich berühren, ist das Berührungsgefühl eine Reihe elektrischer Signale, die an das Gehirn gesendet werden. Wenn diese Verbindung unterbrochen wird, beispielsweise bei Wirbelsäulenverletzungen oder dem Verlust einer Gliedmaße, geht das Tastgefühl verloren.

Dieser Verlust ist jedoch möglicherweise nicht länger dauerhaft. Die Forscher Wang et al. hat kürzlich eine fortschrittliche E-Skin-Technologie vorgestellt, die detailliertes sensorisches Feedback und sanfte Interaktion mit unserer Umgebung ermöglicht. Die E-Haut ist weich, ahmt die physikalischen Eigenschaften der menschlichen Haut nach und kann so codiert werden, dass sie Berührungen, Temperaturänderungen und Druck wahrnimmt, die alle über künstliche neuronale Netze an das Gehirn zurückgeleitet werden. Im Wesentlichen schufen sie künstliche Haut, die denjenigen, die ihn verloren haben, den fünften Sinn zurückgeben könnte.

Elektronische Systeme bleiben größtenteils starr und steif. In den letzten Jahren sind flexiblere elektronische Materialien auf den Markt gekommen, beispielsweise die Herstellung weicher Geräte, mit denen sich so etwas wie E-Skin konstruieren lässt. Ein Problem, das für Wang et al. bestehen blieb. war, dass selbst die besten flexiblen elektronischen Materialien noch unter Hochspannung standen (30 bis 100 V). Ein Wearable mit solch hoher Spannung stellt ein erhebliches Risiko für den Träger dar.

Um das Hochspannungsproblem zu lösen, entwickelten die Forscher einen dreischichtigen Isolator, der der E-Haut hinzugefügt wird. Die Isolierung ist glatt und dünn, wodurch die E-Skin leicht tragbar und flexibel bleibt.

Die größte Schwierigkeit bei E-Skin besteht darin, den Kontakt mit einem externen Objekt zu erkennen, sondern vielmehr darin, wie das Gehirn die Sinne interpretiert und darauf reagiert. Wenn Sie etwas Verbrühendes berühren, erkennt Ihr Gehirn sofort die Gefahr und Sie ziehen sich unbewusst sofort zurück. Das ist sensorisches Feedback. Das neuronale Netzwerk, das Ihre Haut mit Ihrem Gehirn verbindet, ermöglicht eine schnelle Reaktion auf Berührungen, schneller als wir bewusst denken können. Bei künstlicher Haut muss der sensorische Feedback-Mechanismus rekonstruiert werden.

Wenn Sie etwas berühren, werden analoge Signale in elektrische Signale umgewandelt und über die Nerven an das Gehirn weitergeleitet. Für die E-Skin bauten die Forscher ein Netzwerk aus synaptischen Festkörpertransistoren auf, um die elektrischen Signale zu übertragen.

Wang et al. entwickelte ein geschlossenes Kreislaufsystem, das die E-Haut mit dem somatosensorischen Kortex in einem lebenden Rattenmodell verbindet. Der somatosensorische Kortex befindet sich in unmittelbarer Nähe des motorischen Kortex und unterstützt die Geschwindigkeit, mit der unsere motorischen Reaktionen so schnell sein können. In-vivo-Experimente zeigten, dass Druck auf die E-Haut zu einer erheblichen Aktivierung des somatosensorischen Kortex und damit wiederum zu einer erheblichen Muskelaktivierung bei der Ratte führte.

Nach einer umfangreichen Reihe von Tier- und Menschentests zur Sicherheit und Wirksamkeit könnte die E-Skin-Technologie von Wang et al. in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. Erstens und vor allem regenerativ könnte es den fast zwei Millionen Amputierten allein in den Vereinigten Staaten sowie allen Menschen mit Krankheiten oder Vorerkrankungen, die das Berührungsempfinden beeinträchtigen, das Berührungsempfinden wiederherstellen.

Darüber hinaus könnte E-Skin industriell eingesetzt werden, sei es bei von Menschen bedienten Maschinen, um den Bediener besser auszurüsten, oder sogar bei Robotern, um Daten zu empfangen, um ihre Arbeit besser durchführen zu können.

Auch wenn diese Technologie aufgrund der rasanten Entwicklung von Robotik, künstlicher Intelligenz und anderen bedeutenden regenerativen Verbesserungen noch mindestens Jahre von einer umfassenden Kommerzialisierung entfernt ist, werden wir in Zukunft bald eine starke Verbreitung dieser und ähnlicher Fortschritte erleben.