3D-gedruckte elektronische Haut für die Interaktion zwischen Mensch und Maschine

Studentische Forscher an der Texas A&M University haben eine 3D-gedruckte elektronische Haut entwickelt, die sich wie die menschliche Haut biegen, dehnen und fühlen kann und damit die Tür für neue Fortschritte in der Mensch-Maschine-Interaktion öffnet.

Menschliche Haut, mit mehr als 1000 Nervenenden das größte sensorische Organ des Gehirns, ist schwierig zu replizieren.

“Die Fähigkeit, den Tastsinn nachzubilden und in verschiedene Technologien zu integrieren, eröffnet neue Möglichkeiten für die Mensch-Maschine-Interaktion und fortschrittliche sensorische Erfahrungen”, sagte Dr. Akhilesh Gaharwar, Professor und Forschungsleiter der Abteilung für Biomedizinische Technik. “Sie kann möglicherweise die Industrie revolutionieren und die Lebensqualität von Menschen mit Behinderungen verbessern.”

Das Team verwendete nanoengineerte Hydrogele, die elektronische und thermische Biosensorfähigkeiten aufweisen. Diese Hydrogele ermöglichen es der E-Haut, komplexe 2D- und 3D-elektronische Strukturen während des 3D-Druckprozesses zu formen, ein wesentlicher Aspekt beim Nachbilden der vielschichtigen Natur der menschlichen Haut. Die Forschung, veröffentlicht in „Advanced Functional Materials“, wurde in Gaharwars Labor entwickelt, mit Drs. Kaivalya Deo und Shounak Roy als Hauptautoren der Studie.

“Die Inspiration für die Entwicklung von E-Skin liegt in dem Wunsch begründet, fortschrittlichere und vielseitigere Schnittstellen zwischen Technologie, dem menschlichen Körper und der Umwelt zu schaffen”, so Gaharwar. “Der spannendste Aspekt dieser Forschung sind die potenziellen Anwendungen in der Robotik, der Prothetik, der Wearable Technology, im Sport- und Fitnessbereich, bei Sicherheitssystemen und Unterhaltungsgeräten.”

Eines der Hauptprobleme bei der Erstellung von E-Haut ist die Entwicklung haltbarer Materialien, die gleichzeitig die Flexibilität der menschlichen Haut nachahmen, bioelektrische Sensoreigenschaften enthalten und für tragbare oder implantierbare Geräte geeignet sind.

“In der Vergangenheit war die Steifigkeit dieser Systeme für unser Körpergewebe zu hoch, was die Signalübertragung verhinderte und zu einer mechanischen Fehlanpassung an der biotisch-abiotischen Schnittstelle führte”, so Deo. “Wir haben eine ‘Dreifach-Vernetzungs’-Strategie für das Hydrogel-basierte System eingeführt, mit der wir eine der wichtigsten Einschränkungen im Bereich der flexiblen Bioelektronik beseitigen konnten.

Durch eine „Triple-Crosslinking“-Strategie im hydrogelbasierten System konnten sie eine der Schlüsselbeschränkungen im Bereich der flexiblen Bioelektronik angehen.

“Der spannendste Aspekt dieser Forschung sind die potenziellen Anwendungen in der Robotik, Prothetik, Wearable Technology, Sport und Fitness, Sicherheitssystemen und Unterhaltungsgeräten”, so Dr. Akhilesh Gaharwar.

Die Forschenden nutzten auch „atomare Defekte“ in Molybdändisulfid-Nanoassemblies, ein Material mit Unvollkommenheiten in seiner atomaren Struktur, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit ermöglicht, und Polydopamin-Nanopartikel, um der E-Haut zu helfen, an feuchtem Gewebe zu haften.

“Diese speziell entwickelten Molybdändisulfid-Nanopartikel fungierten als Vernetzer zur Bildung des Hydrogels und verliehen der E-Skin elektrische und thermische Leitfähigkeit; wir sind die Ersten, die dies als Schlüsselkomponente verwenden”, so Roy. “Die Fähigkeit des Materials, an feuchtem Gewebe zu haften, ist besonders wichtig für potenzielle Anwendungen im Gesundheitswesen, bei denen sich die E-Skin an dynamische, feuchte biologische Oberflächen anpassen und daran haften muss.”

Die Studie, unterstützt durch das National Institute of Health, das Verteidigungsministerium und die United States-India Educational Foundation, zeigt vielversprechende Anwendungen für die E-Haut auf, darunter tragbare Gesundheitsgeräte, die kontinuierlich Vitalzeichen wie Bewegung, Temperatur, Herzfrequenz und Blutdruck überwachen. Diese Technologie könnte nicht nur in der Industrie, sondern auch zur Verbesserung der Lebensqualität von Menschen mit Behinderungen revolutionäre Veränderungen bewirken.