Künstliche Haut aus menschlichen Zellen weist auf die Zukunft von Robotern hin

Die Juni-Ausgabe von Wissenschaftsrobotik — eine der wichtigsten Zeitschriften auf diesem Gebiet – widmet sich einem einzigen Thema: Roboterhaut. Die darin enthaltenen Studien untersuchen futuristisch klingende Materialien, die Geräte hervorbringen werden. die Fähigkeit, sich zu beugen, zu dehnen und zu spüren auf eine Art und Weise, wie es Maschinen vorher nie konnten. Ein Artikel beschreibt sogar eine künstliche Haut hergestellt aus menschlichen Hautzellen mehr dazu weiter unten. Diese Ausgabe ist ein seltener Einblick in eine Zukunft, die ganz anders aussehen wird aus unserer Gegenwart.

Interessante Technik | wissenschaft-x.com hat sich kürzlich mit einem Neuroingenieur zusammengesetzt Lukas Osborn, ein leitender Forscher am berühmten Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University in Maryland. Osborne ist ein Experte für Systeme, die Menschen, die Prothesen verwenden, die Sinneswahrnehmung zurückgeben. 2019 erhielt er einen Platz bei Forbes' 30 unter 30 für die Entwicklung einer Haut, die " ein Gefühl von Druck und Schmerz nachbilden.“ Wir haben Osborne gebeten, uns über Roboterhaut auf den neuesten Stand zu bringen und die Herausforderungen zu erklären, an deren Bewältigung Neuroingenieure arbeiten.

Dieses Interview wurde aus Gründen der Länge und Klarheit bearbeitet.

Interessante Technik | wissenschaft-x.com: Warum arbeitet ein Neuroingenieur an Roboterhaut?

Luke Osborn: Wir untersuchen, wie wir Menschen und Maschinen miteinander verbinden können, normalerweise mit dem Ziel, entweder eine Funktion wiederherzustellen oder es für jemanden einfacher oder besser zu machen, etwas zu tun. Zum Beispiel mit Prothesen, die an einem Menschen befestigt werden. Das ist also das Gesamtbild.

Genauer gesagt konzentriere ich mich auf die Synchronisierung und Wiederherstellung von Berührungen und Empfindungen bei Personen. Also jemand, der vielleicht ein Glied durch eine Amputation verloren hat und eine Armprothese verwendet. Wie erhalten wir Informationen darüber, was er berührt?zu ihnen? Wir müssen die Sensoren bauen. Aber diese Informationen an den Menschen zurückzusenden, kann auch schwierig sein. Mein Gebiet liegt in diesem Bereich der Neurotechnik mit einem Schwerpunkt auf Empfindung und Wahrnehmung für Menschen und Roboter.

IE: Was sind einige der größten Herausforderungen, denen Sie und Ihre Kollegen bei der Herstellung dieser künstlichen Häute gegenüberstehen?

Osborn: Es gibt große Herausforderungen bei der Entwicklung von Sensoren, die in der Lage sind, zu messen und zu erkennen, was in der Umgebung vor sich geht, im Allgemeinen durch Berührung. Die Herausforderung besteht darin, dass wir diese Erwartung haben, dass wir Sensoren entwickeln können, die alles können, was Menschen können,Und wir sind noch nicht ganz so weit. Tatsächlich sind wir noch weit davon entfernt, weil die Haut so viel leisten kann. Es gibt so viele Rezeptoren in der Haut, die Dinge wie Temperatur, Druck und Vibration messen. Also historischGenau genommen ist die Entwicklung eines Sensors zur Erfassung aller Informationen, die die menschliche Haut erfassen kann, äußerst schwierig.

Es gibt auch andere Teile. Wie macht man diese Sensoren weich und nachgiebig, damit sie auf einen Roboter passen, wenn sich der Roboter bewegt? Und dann gibt es noch einen anderen Teil: Wie nehmen wir diese Informationen und senden sie jetzt an beide zurückzum Roboter, damit der Roboter weiß, was vor sich geht, oder zum Menschen, damit der Mensch fühlen kann, was vor sich geht.

IE: Welche Art von Fortschritthaben Forscher in den letzten Jahren gemacht?

Osborn: Wir können immer noch nicht nachahmen, was die menschliche Haut tut, aber es gab einige wirklich faszinierende technische Fortschritte, die Robotern die Fähigkeit geben, Dinge zu spüren und wahrzunehmen, an die wir normalerweise nicht denken. Aus der Perspektive vonRehabilitation, wir denken darüber nach, wie wir wiederherstellen und nachahmen, was die Haut tut, damit wir fühlen können, was in der Welt vor sich geht. Aber es gibt auch diese interessante technische Herausforderung. Wenn wir es nicht genau reproduzieren können, sind wir daandere Dinge, die wir tun können, um diese Sensoren besser oder funktionaler zu machen und mehr Informationen aus dem zu extrahieren, womit Roboter interagieren, als Sie vielleicht mit menschlicher Haut könnten?

IE: Ein Papier veröffentlicht Anfang dieses Monats in der Fachzeitschrift mit Peer-ReviewMaterie verwischt die Grenze zwischen menschlicher Haut und Roboterhaut. Was halten Sie von dieser Studie?

Osborn: Es ist ziemlich wild. Das ist wirklich aufregend, weil sie im Grunde eine künstliche Haut für einen Roboter geschaffen haben, die aus lebenden Zellen besteht, was ziemlich einzigartig ist. Das ist etwas, woran wir normalerweise nicht denken. Wir denken daran, Roboter so künstlich zu habenmechanische Systeme, die nicht unbedingt menschenähnlich sind.

Eine Herausforderung bei Robotersystemen, die Sensoren enthalten, besteht darin, dass diese Sensoren, wenn sie beschädigt oder zerschnitten werden oder ähnliches, keine Möglichkeit haben, sich selbst zu heilen. Daher ist dieses Papier ziemlich interessant, weil es einen einzigartigen Ansatz verfolgtVerwenden von lebender Haut, um etwas zu bauen, das im Wesentlichen ein Substrat ist, das über den Roboterfinger geführt werden kann. Haut tut viel mehr, als uns nur fühlen zu lassen, was wir berühren. Sie hilft auch, das Innere unseres Körpers zu schützen. Dasselbe könnte für a geltenRoboter, wo Sie vielleicht eine schützende Haut haben möchten, um ihn vor anderen Umweltfaktoren und ähnlichen Dingen zu schützen.

Eine künstliche Haut wie diese zu haben, die sich selbst oder mit Hilfe lebender Zellen heilen kann, ist ziemlich aufregend, weil Sie jetzt möglicherweise etwas schaffen, das sich von Schäden erholen kann.

IE: Wie vermeiden die Ingenieure hinter Systemen wie diesem allgemeine Probleme wie Korrosion beim Mischen von lebendem Gewebe und elektronischen Elementen? Sind biokompatible Materialien fortschrittlich genug, um diese Art von Problem zu vermeiden?

Osborn: Ich bin mir nicht sicher, aber ich bin optimistisch, dass es Möglichkeiten geben wird, elektronische Elemente einzubauen, um einen Teil der Wahrnehmung zu übernehmen, um dies noch weiter voranzutreiben. Ich weiß nicht genau, wasDiese Interaktion würde aussehen, und es wäre definitiv etwas, das erforscht werden müsste. Aber ich würde sagen, dass ich optimistisch bin, dass es möglich ist, und es scheint, als ob das Team in dieser Hinsicht zukunftsorientiert ist.

Die Zukunft wäre, Sensoren in diese lebende Haut einzubauen, damit sie nicht nur die Fähigkeit hat, diesen Roboterfinger zu schützen und sich gut anzupassen und sich mit diesem Roboterfinger zu bewegen, sondern auch einige Informationen darüber liefert, was sie erkennt oder was sie dabei fühltberühren.

IE: Erwarten Sie, dass diese Art von Hybridsystem die Zukunft der Roboter-Skins sein wird?

Osborn: Es ist schwer vorherzusagen, wie die Zukunft aussieht oder warum ein Ansatz besser sein könnte als ein anderer. Wir befinden uns in einer aufregenden Zeit, in der viele neue Dinge mit künstlichen Häuten passieren, um sie besser, intelligenter und mehr zu machennicht nur die künstliche Haut – die elektronischen Skins selbst – sondern auch ihre Fähigkeiten nutzen, um Roboter intelligenter zu machen.

IE: Ein Papierin der aktuellen Ausgabe von Wissenschaftsrobotik berichtet von einer Sensormethode, die Elektroden und Mikrofone verwendet, um Vibrationen und andere Reize zu messen. Wie passt das in das Bild von elektronischen Skins?

Osborn: Ich fand es toll, diesen Ansatz zu sehen, Dinge wie akustische Tomographie zum Erfassen zu verwenden. Dieser einzigartige Ansatz besteht im Wesentlichen darin, zu hören, was an der Oberfläche der künstlichen Haut passiert, um dann einen Hinweis auf die Art der Berührung zu geben, die passiert. Es gibt aviele wirklich großartige Beispiele für künstliche Skins, die es gibt, einschließlich einiger Dinge, an denen wir gearbeitet haben.

Eine der vielen Herausforderungen besteht darin, effektiv interpretieren zu können, was eine künstliche Haut wahrnimmt. Im Allgemeinen kann dies eine Herausforderung sein, insbesondere wenn Sie bedenken, wie komplex die Arten von Empfindungen sind, die wir von unserer eigenen Haut erhalten. So werden Dinge wie verschiedene Gesten und verschiedene Druckverteilungen alle zusammen integriert, um uns die Wahrnehmung dessen zu geben, was wir fühlen.

Hier verfolgen sie einen interessanten Ansatz, bei dem sie im Wesentlichen elektrische Impedanzmessungen verwenden. Sie messen also die elektrische Aktivität durch dieses weiche Medium – diese weiche künstliche Haut – um herauszufinden, wie stark Sie drücken. Sie tun es auchSie können Mikrofone verwenden, um Vibrationen aufzunehmen, denn wenn Sie Ihre Haut berühren und sich über sie bewegen, erzeugen Sie diese kleinen Vibrationen.

Sie können dann zeigen, dass sie das messen können, was cool ist, weil sie dann Dinge tun können, wie zum Beispiel zu sagen, ob Sie tätscheln oder kitzeln oder ob Sie Ihre Finger auf einzigartige Weise bewegen, und im WesentlichenVerfolgen Sie diese Bewegung über die künstliche Haut. Für mich ist das aufregend, weil es einige Möglichkeiten eröffnet, genauer zu erkennen und zu verstehen, was diese künstliche Haut erfährt. Das wird für Roboter und Prothesen nützlich sein.

IE: Ist das analog zu der Art und Weise, wie eines der sensorischen Systeme in der menschlichen Haut funktioniert?

Osborn: Ich würde nicht sagen, dass es es nachahmt, aber ich würde sagen, dass einige dieser neuen Fortschritte stark von der Art und Weise inspiriert zu sein scheinen, wie unsere eigenen Hautrezeptoren funktionieren, insbesondere durch die Erkennung verschiedener Aspekte der Berührung. Zum Beispiel,Wir haben Rezeptoren in unserer Haut, die empfindlicher auf Eindrücke oder Druck reagieren, und wir haben andere Rezeptoren, die möglicherweise empfindlicher auf Vibrationen auf der Haut reagieren.Wenn der Wind über Ihre Haut weht, gibt es Rezeptoren, die dafür empfindlicher sind.

Besonders aufregend ist, dass wir uns von einigen dieser biologischen Mechanismen inspirieren lassen und diese in diese künstlichen Häute einbauen können. Hier zum Beispiel ist die Fähigkeit, Vibrationen zu erkennen – obwohl sie ein Mikrofon verwenden – nicht möglichvöllig anders als man vielleicht von einigen Rezeptoren in der Haut erwarten würde.

Sie verhalten sich offensichtlich sehr unterschiedlich und reagieren auf unterschiedliche Dinge, aber die Idee hier ist, dass wir anfangen zu erforschen, wie diese künstlichen Häute mehr Informationen extrahieren und mehr Informationen darüber erfassen können, was berührt wird. Es scheint, dass es eine Menge Inspiration gibtwird von diesen biologischen Rezeptoren gezogen, die wir natürlicherweise in der menschlichen Haut sehen.

IE: Wie wird Ihrer Meinung nach die Zukunft der künstlichen Haut aussehen?

Osborn: Ich glaube nicht unbedingt, dass wir in der Lage sein werden, alle Empfindlichkeiten und Funktionen, die wir in der menschlichen Haut sehen, vollständig zu replizieren. Aber ich denke, wir werden in der Lage sein, ziemlich einzigartige Lösungen zu schaffen, die potenziell sindin der Lage, über das hinauszugehen, wozu menschliche Haut normalerweise in der Lage ist.

Also im Grunde die Schaffung künstlicher Haut, die über das hinausgeht, was wir derzeit darüber denken, wo die Grenzen der Wahrnehmung und Funktion liegen sollten. Als Menschen können wir Dinge wie Druck, Temperatur und den Wind auf unserer Haut spüren. Aber mit einigen davonkünstliche Haut, können Sie damit beginnen, neuartige Sensormodalitäten zu integrieren, wie z. B. die Fähigkeit, Chemikalien in der Luft zu erkennen.

Ich glaube nicht, dass wir unbedingt die menschliche Haut und die menschliche Hautempfindlichkeit eins zu eins nachbilden und sagen werden: „Okay, wir sind fertig, lass uns weitermachen.“ Ich denke, was spannender ist, herauszufindenWege zu finden, neuartige Sensormodalitäten in künstliche Haut zu integrieren, die Robotern und Prothesen noch mehr Informationen über die Umgebung geben, als wir im Moment unbedingt denken.