E-Skin: Digitale Haut kommuniziert mit dem Gehirn

Wissenschaftler der Standford University haben eine digitale "Haut" entwickelt, die etwa Wärme und Druck in elektrische Signale umwandeln kann. Diese Signale könnten dann von im menschlichen Gehirn implantierten Elektroden aufgenommen werden. Die Forscher sehen dies als einen ersten Schritt an, um KI-basierte Prothesen bauen zu können, die eine natürliche Interaktion zulassen.

Bisher fielen Ansätze für eine sensitive Haut, deren Signale umgewandelt werden können, zu dick aus und seien damit zu starr und unhandlich, schreibt das Forschungsteam in seinem Aufsatz "Neuromorphic sensorimotor loop embodied by monolithically integrated, low-voltage, soft e-skin", der in Science veröffentlicht ist. Die vom Stanford-Team entwickelte künstliche Haut ist demnach inklusive der Umwandlungselemente nur zwischen 25 und 50 Mikrometer dick.

"Ein Großteil der Herausforderung bestand darin, die hautähnlichen elektronischen Materialien so weiterzuentwickeln, dass in sie integrierte Schaltkreise eingebracht werden können, die komplex genug sind, um nervenähnliche Impulsfolgen zu erzeugen, und deren Betriebsspannung niedrig genug ist, um sicher am menschlichen Körper eingesetzt werden zu können", sagt Weichen Wang, Doktorand an der Stanford University und Erstautor der Studie. Wang hat drei Jahre lang an dem E-Skin-Prototyp gearbeitet.

Wangs Team entwickelte dazu eine dreilagige dielektrische Struktur, die im Vergleich zu einem einschichtigen Dielektrikum die Mobilität der Ladungsträger um den Faktor 30 erhöhte. Entsprechend konnten die Schaltkreise mit einer niedrigeren Spannung von 5 Volt betrieben werden. In den Schichten sind Netzwerke organischer Nanostrukturen integriert, die auch bei Dehnung elektrische Signale übertragen können. Die Netzwerke können so konstruiert werden, dass sie Druck, Temperatur, Dehnung und verschiedene Chemikalien wahrnehmen können.

E-Skin aus mehreren Schichten

Jede sensorische Fähigkeit hat ihren eigenen integrierten Schaltkreis. Sie werden zu einem einzigen Material zusammengefügt, das nicht reißen kann und seine elektrische Funktion dauerhaft hält. Jede elektronische Schicht ist einige zehn bis hundert Nanometer dick. Das fertige Material besteht aus etwa einem halben Dutzend Schichten mit einer Dicke von weniger als einem Mikrometer. Die endgültige Haut ist zwischen 25 und 30 Mikrometer dick und damit in etwa so dünn wie die äußere Schicht der menschlichen Haut.

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Die Forscher der Stanford University haben die E-Skin bereits an Gehirnzellen von Ratten getestet. Die Tiere reagierten in Abhängigkeit des auf die Haut ausgeübten Druckes durch eine Stimulation der Hirnrinde mit entsprechendem Zucken der Beine. In Zukunft erhoffen sich die Wissenschaftler, die Signale der digitalen Haut an implantierte drahtlose Kommunikationschips in den peripheren Nerven des Menschen senden zu können. Dadurch wollen sie es Menschen mit amputierten Gliedmaßen ermöglichen, Prothesen anzusteuern.

(olb)