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Forscher entwickeln „fühlende“ Fingerspitzen

Eine hochempfindliche, in 3D gedruckte Fingerspitze könnte Robotern zu mehr Geschicklichkeit verhelfen und die Leistung von Handprothesen verbessern, indem sie ihnen einen eingebauten Tastsinn verleiht.

Maschinen können den besten Schachspieler der Welt schlagen, aber sie können eine Schachfigur nicht so gut handhaben wie ein Kleinkind. Diese mangelnde Geschicklichkeit von Robotern ist zum Teil darauf zurückzuführen, dass künstlichen Greifern der feine Tastsinn der menschlichen Fingerspitze fehlt, mit dem wir unsere Hände führen, wenn wir Gegenstände aufheben und handhaben.

Zwei im Journal of the Royal Society Interface veröffentlichte Arbeiten bieten den ersten eingehenden Vergleich einer künstlichen Fingerspitze mit neuronalen Aufzeichnungen des menschlichen Tastsinns. Die Forschungsarbeiten wurden von Nathan Lepora, Professor für Robotik und künstliche Intelligenz (KI) an der Fakultät für Ingenieurmathematik der Universität Bristol, geleitet, der im Bristol Robotics Laboratory arbeitet.

„Unsere Arbeit trägt dazu bei, aufzudecken, wie die komplexe innere Struktur der menschlichen Haut unseren menschlichen Tastsinn erzeugt. Dies ist eine aufregende Entwicklung auf dem Gebiet der Soft-Robotik – wenn wir in der Lage wären, taktile Haut in 3D zu drucken, könnten wir Roboter erschaffen, die geschickter sind, oder die Leistung von Handprothesen erheblich verbessern, indem wir ihnen einen eingebauten Tastsinn verleihen“, sagte Professor Lepora.

Professor Lepora und seine Kollegen haben den Tastsinn in der künstlichen Fingerspitze mit Hilfe eines 3D-gedruckten Netzes aus nadelförmigen Papillen auf der Unterseite der nachgiebigen Haut geschaffen, die die dermalen Papillen nachahmen, die sich zwischen den äußeren epidermalen und inneren dermalen Schichten der menschlichen Tasthaut befinden. Die Papillen werden mit modernen 3D-Druckern hergestellt, die weiche und harte Materialien mischen können, um komplizierte Strukturen zu schaffen, wie sie in der Biologie vorkommen.

„Wir haben herausgefunden, dass unsere 3D-gedruckte taktile Fingerspitze künstliche Nervensignale erzeugen kann, die wie Aufzeichnungen von echten, taktilen Neuronen aussehen. Die menschlichen Tastnerven übertragen Signale von verschiedenen Nervenendigungen, den so genannten Mechanorezeptoren, die den Druck und die Form einer Berührung signalisieren können. In einer klassischen Arbeit von Phillips und Johnson aus dem Jahr 1981 wurden erstmals elektrische Aufzeichnungen von diesen Nerven angefertigt, um die „taktile räumliche Auflösung“ anhand einer Reihe von Standardformen zu untersuchen, die von Psychologen verwendet werden. In unserer Arbeit testeten wir unsere 3D-gedruckte künstliche Fingerspitze, wie sie dieselben geriffelten Formen „erfühlte“, und entdeckten eine verblüffend enge Übereinstimmung mit den neuronalen Daten“, sagte Professor Lepora.

„Für mich war der aufregendste Moment, als wir unsere künstlichen Nervenaufzeichnungen von der 3D-gedruckten Fingerspitze betrachteten und sie wie die echten Aufzeichnungen von vor über 40 Jahren aussahen! Diese Aufzeichnungen sind sehr komplex, mit Hügeln und Senken über Kanten und Grate, und wir sahen das gleiche Muster in unseren künstlichen taktilen Daten“, sagte Professor Lepora.

Während die Forschung eine bemerkenswert gute Übereinstimmung zwischen der künstlichen Fingerspitze und den menschlichen Nervensignalen feststellte, war sie für feine Details nicht so empfindlich. Professor Lepora vermutet, dass dies daran liegt, dass die 3D-gedruckte Haut dicker ist als echte Haut. Sein Team erforscht nun, wie man Strukturen auf der mikroskopischen Ebene der menschlichen Haut 3D-drucken kann.

„Unser Ziel ist es, künstliche Haut so gut – oder sogar besser – wie echte Haut herzustellen“, so Professor Lepora.

Papers:

Artificial SA-I, RA-I and RA-II/vibrotactile afferents for tactile sensing of texture,’ by Pestell, N. & Lepora, N. in Journal of the Royal Society Interface.

‘Artificial SA-I and RA-I afferents for tactile sensing of ridges and gratings,’ by Pestell, N., Griffith, T. and Lepora, N. in Journal of the Royal Society Interface.

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