Chinesische Wissenschaftler entwickeln „echte Haut“: Verletzungen heilen innerhalb einer Stunde vollständig

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Pan Baohai und Ying Wu Bin (Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Wir haben immer das Gefühl, dass der technologische Gehalt eines Roboters umso höher ist, je menschenähnlicher er ist.

Das ist kein menschlicher Narzissmus. Das Leben ist die komplexeste und hochentwickeltste „Maschine“ der Natur. Es kann natürliche Organismen simulieren und symbolisiert auch den Fortschritt von Wissenschaft und Technologie.

Mit der Entwicklung der Robotertechnologie besteht ein steigender Bedarf an humanoiden Robotern. Dies liegt nicht nur daran, dass Roboter Aufgaben erledigen können, die Menschen nicht bewältigen können, sondern auch daran, dass Roboter das menschliche Aussehen und die menschlichen Bewegungen simulieren können, sodass sie für den Menschen leichter zu akzeptieren sind.

Aber wenn wir heute an Roboter denken, ist das Erste, was uns in den Sinn kommt, immer noch die kalte Metalloberfläche. Um Roboter realen Menschen ähnlicher zu machen, müssen wir intensiv am „Haut“-Aspekt arbeiten. Die Schlüsseltechnologie hierfür ist das, was wir heute vorstellen: „menschenähnliche Haut“, auch als ionische Haut bekannt.

Unvorstellbare „echte“ Ionenhaut

Die Möglichkeiten der Ionenhaut übersteigen möglicherweise Ihre Vorstellungskraft. Es kann die Struktur und Eigenschaften der menschlichen Haut simulieren. Es ist nicht nur elastisch, sondern auch kraftbeständig.

Ionische Haut ist ein biomimetisches Material, das aus biokompatiblem Polyurethanmaterial und ionischer Flüssigkeit besteht. Dieses Material kann externe Kräfte und Druck erfassen und Signale an das Schaltkreissystem übertragen, sodass das System relevante Daten aufzeichnen oder reagieren kann.

Wie der Name schon sagt: Ionenhaut. Es muss also etwas mit Ionen zu tun haben, oder? Das stimmt.

Wir wissen, dass das sensorische System des menschlichen Körpers zur Signalübertragung auf Na+- und K+-Plasma angewiesen ist. Wenn äußere Kräfte Unterschiede in der Ionenkonzentration innerhalb und außerhalb der Epidermiszellen verursachen, können Menschen diese spüren. Ionische Haut erkennt außerdem externe Belastungen, indem sie den Zustand der Ionen erkennt. Das heißt, die Einwirkung einer externen Kraft verändert den Zustand der Ionen im Material und führt zu Änderungen der elektrischen Signale.

Der Aufbau der menschlichen Haut und das Designkonzept der ionischen Haut (Bildquelle: Eigenentwicklung des Autors)

Auch die Anwendungsszenarien von Ionic Skin übersteigen möglicherweise Ihre Vorstellungskraft. Es hat einen breiten Anwendungswert in den Bereichen Robotik und tragbare medizinische Geräte. Im Bereich der Robotik kann ionische Haut Roboter intelligenter machen und ihnen die Interaktion mit Menschen erleichtern. Im Bereich der tragbaren Medizin kann ionische Haut zur Überwachung der menschlichen Gesundheit und zur Behandlung bestimmter Krankheiten eingesetzt werden.

Obwohl ionische Haut bestimmte Eigenschaften der menschlichen Haut simulieren kann, kann sie derzeit nicht direkt als Ersatz für menschliche Haut verwendet werden. Dies liegt daran, dass die Materialien und Herstellungsverfahren der Ionenhaut noch nicht ausgereift genug sind und die Forschung zur Wechselwirkung zwischen elektronischen Signalen und dem menschlichen Gehirn noch nicht gründlich genug ist, sodass weitere Forschung und Verbesserungen erforderlich sind.

Neue ionische Haut, die sich selbst heilt und superempfindlich ist

Das Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat ebenfalls eine neue Art von Ionenhaut entwickelt. Diese neue Art Ionenhaut verfügt nicht nur über die Eigenschaften der ursprünglichen Ionenhaut, die Kraft standhält und sich verformen kann, sondern sie ist auch äußerst empfindlich und kann sich bei Verletzungen sogar selbst reparieren.

(Videoquelle: vom Autor bereitgestellt)

Es handelt sich eindeutig um ein künstliches Material, aber es kann sich tatsächlich selbst reparieren, wie die menschliche Haut? Das klingt großartig! Wie also erreicht die neue Ionenhaut ihre selbstheilenden Eigenschaften?

Der Schlüssel liegt in den dynamischen Disulfidbindungen, die in das Material eingeführt werden. Dynamische Disulfidbindungen befinden sich immer in einem dynamischen Gleichgewicht aus Bruch und Rekombination. Bei der Entstehung einer Wunde werden die Materialien auf beiden Seiten der Wunde durch Aufbrechen und Rekombination von Disulfidbindungen in der Nähe der Wunde erneut verbunden. Dadurch wird die Selbstheilung der „menschenähnlichen“ Haut ermöglicht.

Diese neue Art Ionenhaut ist nicht nur selbstheilend, sondern auch superempfindlich! Es simuliert das Ionensignalübertragungssystem ähnlich dem biologischer Tastzellen, steuert die Verteilung der Ionen im Ionenleiter entsprechend der Kraftänderungen und maximiert die Tastwahrnehmung.

Es klingt, als wäre das Prinzip der Selbstheilung einfach? Ist es besser, schneller zu heilen?

Obwohl das Ziel der Forscher darin besteht, selbstheilende Ionenhaut zu entwickeln, heilt dieses neue Material zu schnell (nicht in Versailles), was den Forschern einige kleinere Probleme bereitet hat.

Bei der Entwicklung dieses Materials ist es notwendig, das Selbstheilungsverhalten der Wunde unter dem Mikroskop zu beobachten. Nach jedem Schnitt müssen verschiedene Parameter neu eingestellt werden und das Material heilt zu schnell, sodass den Forschern immer wieder wichtige Details entgehen. Letztendlich mussten wir die Testgeräte verbessern, um das unten stehende Video des vollständigen Selbstheilungsprozesses zu erhalten.

(Videoquelle: vom Autor bereitgestellt)

Abschluss

Ionische Haut kann die Struktur und Eigenschaften der menschlichen Haut nachahmen und verfügt über Selbstheilungskräfte, was bedeutet, dass sie zur Überwachung der menschlichen Gesundheit und zur Behandlung bestimmter Krankheiten eingesetzt werden kann. Gleichzeitig bietet die Kraftempfindlichkeit der ionischen Haut auch neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Mensch-Maschine-Schnittstellengeräten.

Obwohl die Materialien und Herstellungsverfahren von Ionic Skin noch nicht ausgereift sind, glauben wir, dass die Ionic Skin-Technologie in zukünftigen Forschungsarbeiten breiter eingesetzt und weiter verbessert werden wird. Kurz gesagt: Die Forschung zur ionischen Haut wird die Interaktion und Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter fördern und zudem einen intelligenteren und wirksameren Schutz der menschlichen Gesundheit bieten.

Quellen:

[1] https://www.nature.com/articles/s41467-022-35434-8

Herausgeber: Guo Yaxin