Entwicklungen künstlicher Haut


Diese spezifischen Eigenschaften und Aufgaben machen die menschlichen Haut zu einem interessanten Forschungsfeld für unterschiedliche interdisziplinäre Fachgebiete, die versuchen, einige Haut-Eigenarten für die Technik zu adaptieren. Und hierbei mangelt es den Forschern weltweit nicht an Ideen.

Ein biologisch inspiriertes adaptives Sensorsystem

Ausgehend von dem Modell der menschlichen Haut hat sich ein Forscherteam zur Aufgabe gemacht, ein Mittlersystem zwischen Menschen und technischen Geräten zu konstruieren. Denn Eigenschaften wie zum Beispiel Nachgiebigkeit, dreidimensionale Geometrie und eine die Sensorik unterstützende Aktorik (Kapillarnetz), sind für die Entwicklung eines adaptiven Sensorsystems bestens geeignet. Aber wie kann das funktionieren?

„Die bionische Umsetzung besteht vor allem darin, dass wir die Signalübertragung und Signalaufnahme wichtiger Komponenten der menschlichen Haut verstehen“, erklärt Diplom-Ingeneurin Irina Gavrilova, wissenschaftliche Mitarbeiterin für das Fachgebiet Biomechatronik an der Technischen Universität Ilmenau. „Um die eingeleiteten taktilen Reize unterschiedlicher Richtung und Dynamik in ein elektrochemisches Membranpotential umzuwandeln und weiterzuleiten, besitzen biologische Sinnesorgane nicht-nervöse Begleitstrukturen, die mit den funktionellen Komponenten den Reiz-Leitungs-Apparat darstellen.“ Vor allem die Eigenschaften und die Geometrie der einzelnen Hautschichten als auch die Aktoren, wie Blutgefäße, gehören zu solchen Komponenten.

 
 


 
 

Von den natürlichen Schichten der Haut lernen

Aber was ist besonders am Aufbau der menschlichen Haut? Schaut man sich zum Beispiel die Dermis, auch Lederhaut oder Corium genannt, genauer an, gibt diese mittlere Schicht der Epidermis Halt und Form durch feste Kollagene und dehnbare elastische Fasern. Auch liegt die Epidermis oder Oberhaut nicht einfach flach auf der Dermis auf. Vielmehr sind sie durch eine kurvenreiche und unregelmäßige Grenze getrennt.

Es sind solche Komponenten der Haut - die Eigenschaften, die Geometrie der Hautschichten sowie die Aktoren in Form von Blutgefäßen - die die Mechanorezeptoren unterstützen. Vor allem die papillare Grenzschicht zwischen Epidermis und Dermis beeinflusst die mechanische Signalübertragung von der Hautoberfläche bis zu den Mechanorezeptoren.

In den Gefäßen der Dermis wird die Steifigkeit bedarfsgerecht für die einzelne Schicht eingestellt. Dies führt dann zu einer Nachgiebigkeitsänderung einer der Schichten. Der mehrschichtige Aufbau, die Grenzflächenstruktur und die unterschiedlichen Eigenschaften der Schichten wurden bionisch vom Vorbild der menschlichen Haut abgeleitet.

„Dieses Zusammenspiel zwischen Aktorik und Sensorik für zielgerichtete Bewegungen kann im technischen System genutzt werden, um es auf die ändernde Messbedingung einzustellen“, erklärt Gavrilova. „Integrierte Sensoren geben eine Rückkopplung über lokale Druck- und Kraftbelastung. Diese Informationen werden an eine zentrale Steuereinheit weitergeleitet, die die integrierten Aktoren zielgerichtet einsetzt, um die gedrückten Stellen zu deformieren.“

 
 


 
 

Technisch betrachtet bildet die papilläre Dermis der menschlichen Haut ein großflächiges Sensor-Aktor-Array, das dann in der bionischen Umsetzung eine Vielzahl von gleichförmigen künstlichen Papillen bildet. Die Ilmenauer Forschergruppe untersucht den Einfluss der Schichteigenschaften und Grenzflächenprofile auf die Leitung mechanischer Reize von der Oberfläche zu den Sensoren und berechnet analytisch die Zerlegung der einwirkenden Kraft in ihre Normal- und Trangentialkomponenten.Verschiedene Modelle, zum Beispiel der Finite-Elemente-Methode, simulieren unterschiedliche Belastungen, sei es durch senkrecht, waaagerecht, punktuell oder flächige Kräfte. Hierdurch können die Kraftverteilung und Verformungen bewertet werden und das Profil der Grenzflächen zwischen zwei Schichten sowie eine optimale Anordnung der Sensoren und Aktoren in der jeweiligen räumlichen Struktur analysiert werden. „Flexible Sensorflächen für die Erkennung von Kräfte- und Druckverteilung auf einer Oberfläche können wir so umsetzen. Dabei detektieren die eingebetteten Sensoren die auftretenden Kräfte oder auch Drücke“, führt Gavrilova aus.

Diese dynamischen Systeme, mit denen Druck und Kraft gemessen werden sollen, kann man beispielsweise als Mittlerschicht zwischen dem menschlichen Körper und der Oberfläche technischer Geräte einsetzen.

Abstraktion der Haut für die Dekubitusprophylaxe

Die sensorischen Eigenschaften der Haut werden auch für die Entwicklung eines adaptiven Lagerungsmoduls zur Vorbeugung und Therapie analysiert. Dies gilt besonders für den Aufbau, die Struktur und Geometrie der Grenzschichten, denn das Lagerungsmodell soll eine effektive Druckanpassung und Scherkraftminimierung sowie eine aktive und individuelle Hautdurchblutung bewirken.

Die Forscher fanden heraus, dass das Verformungsverhalten der Haut und die Verteilung der Spannung maßgeblich durch die Geometrie der Grenzflächenstruktur und durch die Steifigkeitsunterschiede in den einzelnen Schichten beeinflusst werden. „Im Prinzip wird die menschliche Haut mittels sensorkontrollierter Nachgiebigkeit und integrierter Aktorik in vergrößertem Maßstab nachgebildet“, erklärt Gavrilova. So soll die Sensorik Orte der Druckspitzen, die Druckverteilung und verschiedene weitere Umgebungsparameter lokalisieren, wobei die Aktoren zielgerichtet die betroffenen Stellen entlasten und stimulieren. „Auf diese Art und Weise können wir wohl zukünftig frühzeitig gefährdete Druckregionen identifizieren und entlasten und die Gewebedurchblutung stimulieren“, weiß Gavrilova.

 
 


Sicherheitssysteme: Roboter und Fußböden

Für die sogenannte künstliche Intelligenz können Sensoren, die zum Beispiel eine Berührung in einem Laborumfeld registrieren, um Roboter zu stoppen, wichtig sein. Fraunhofer Forscher haben für einen Roboter eine künstliche Haut entwickelt, die aus leitfähigem Schaumstoff und Textilien besteht, in die Sensoren eingelassen sind. „Es gibt zwei grundsätzliche Strategien, Roboter in derartigen Szenarien abzusichern. Zum einen kann man vorausschauende Sensoren einsetzen, die Objekte oder Personen erkennen bevor eine Kollision stattfindet oder man lässt Kollisionen zu, stattet die Maschine aber mit drucksensitiven Sensoren aus und kann so die Interaktionskräfte begrenzen. Wir haben uns für den zweiten Ansatz entschieden und ein Sensorsystem entwickelt, das in der Lage ist, großflächig Druckverteilung zu erfassen“, erklärt Markus Fritzsche vom Fraunhofer IFF. Sobald die Sensoren eine Berührung durch den Menschen registrieren, hält der Roboter sofort an. Außerdem sorgen Dämpfungselemente, die in der Haut liegen, dafür mögliche Stöße abzufedern.

„Ein großer Vorteil von unserer Sensortechnologie ist, dass man das Sensorsystem, auch auf gekrümmten oder komplex geformten Oberflächen anbringen kann. Somit könnten in Zukunft sogar Prothesen mit dem Sensorsystem ausgestattet werden,“ erklärt Fritzsche. Auch Fußböden in Pflegeheimen könnten zukünftig mit dem Sensorsystem ausgestattet werden. Durch die Sensoren wäre es möglich festzustellen, ob ein Patient zum Beispiel aus dem Bett gefallen ist.

Die Zukunft berührungsempfindlicher Technologien

Noch sind viele technische Erfindungen Grundlagenforschung, doch der internationale Forschungsdrang ist ungebrochen. Ende des Jahres 2010 erfanden amerikanische Forscher eine Kunsthaut, eine flexiblen Oberfläche aus Drucksensoren, die die haptischen Fähigkeiten der menschlichen Haut nachahmt und schon bei einem Druck von unter einem Kilopascal eine Reaktion erzeugte.

Fritzsche weiß: „Im Bereich taktiler Sensorsysteme wird derzeit stark geforscht. Die Entwicklungen gehen dabei immer mehr dahin, die menschliche Haut nachzuahmen. Zum einen in ihrer Empfänglichkeit, zum anderen in ihrer hohen Ortsauflösung.“

Für die deutschen Wissenschaftler geht die Forschung über Haut und ihre technische Adaption immer weiter. „Derzeit forschen wir an Sensorsystemen, die Berührungen erkennen können und zusätzlich mit vorausschauenden Sensoren kombiniert sind. Für Anwendungen in denen Mensch und Roboter direkt zusammenarbeiten kann die Sicherheit dadurch weiter erhöht werden“, erklärt Fritzsche.

Auch in Ilmenau wird entwickelt und geforscht. „Papillare Grenzschichten aus verschiedenen Materialien werden in unserer technischen Entwicklung noch eine eigene Rolle spielen“, verrät Professor Hartmut Witte, der Technischen Universität Ilmenau.

Bei allem Fortschritt ist die Natur jedoch in vielerlei Entwicklungen noch einen praktischen Schritt voraus. Ein Beispiel: Die Tastsinneszellen auf der menschlichen Haut können noch eine Oberflächenstruktur erkennen, die aus 50 Mikrometer großen Unebenheiten besteht. Dies zu adaptieren bleibt zunächst eine der vielen technischen Herausforderungen.

Diana Posth
COMPAMED.de