Huidweefsel biedt nieuwe mogelijkheden

Speciaal ontwikkeld huidweefsel geeft robots specifieke eigenschappen en vaardigheden.

Onderzoekers aan de University of Tokyo hebben een manier gevonden om gemanipuleerd huidweefsel te binden aan de complexe vormen van mensachtige robots. Dit brengt potentiële voordelen met zich mee voor robotplatforms, zoals verhoogde mobiliteit, zelfgenezend vermogen, ingebedde detectiemogelijkheden en een steeds levensechter uiterlijk.

Geïnspireerd door de ligamenten van de menselijke huid, heeft het onderzoeksteam speciale perforaties in het gezicht van een robot aangebracht, waardoor een huidlaag zich kon vasthouden. Hun onderzoek zou nuttig kunnen zijn in de cosmetica-industrie en bij het opleiden van plastisch chirurgen.

Huid voor robots

In het biohybride robotica laboratorium komen biologie en werktuigbouw samen. Het heeft al mini-robots gemaakt die lopen met behulp van biologisch spierweefsel, 3D-geprint in het laboratorium gekweekt vlees, een gemanipuleerde huid die kan genezen, en meer. Tijdens het onderzoek naar de laatste van deze items wilde het researchteam het idee van een robothuid verder uitwerken om de eigenschappen en mogelijkheden ervan te verbeteren.

Tijdens eerder onderzoek werd een vingervormige robot bedekt met technisch huidweefsel dat in het laboratorium is gekweekt. De onderzoekers zochten naar een betere correlatie tussen de robotachtige kenmerken en de onderhuidse structuur van de huid. Door ligamentstructuren van de menselijke huid na te bootsen en speciaal gemaakte V-vormige perforaties in vaste materialen te gebruiken, hebben ze een manier gevonden om de huid aan complexe structuren te binden. Door de natuurlijke flexibiliteit van de huid en de sterke hechting kan de huid met de mechanische onderdelen van de robot meebewegen zonder te scheurt of los te laten.

Collageengel

Eerdere methoden om huidweefsel aan vaste oppervlakken te bevestigen waren zaken als mini-ankers of haken Deze beperkten echter het soort oppervlakken waarop huidcoatings konden worden aangebracht en die tijdens beweging schade konden veroorzaken. Door in plaats daarvan zorgvuldig kleine perforaties te ontwerpen, kan in vrijwel elke vorm van oppervlak een huid worden aangebracht.

De onderzoekers gebruiken een speciale collageengel voor de hechting. De gel is van nature stroperig en kan moeilijk in de minuscule perforaties worden aangebracht. Met behulp van een gebruikelijke techniek voor plastische adhesie, plasmabehandeling genaamd, slaagden ze erin het collageen in de fijne structuren van de perforaties te lokken, terwijl ze de huid dicht bij het betreffende oppervlak hielden.

Het manipuleren van zachte, natte biologische weefsels tijdens het ontwikkelingsproces is moeilijker dan mensen denken. Als de steriliteit bijvoorbeeld niet wordt gehandhaafd, kunnen bacteriën binnendringen en zal het weefsel afsterven. Met hun ontwikkeling kunnen de onderzoekers nu robots met een levende huid een reeks nieuwe vaardigheden bieden. Zelfherstel is een groot probleem. Sommige op chemicaliën gebaseerde materialen kunnen worden gemaakt om zichzelf te genezen, maar ze vereisen triggers zoals hitte, druk of andere signalen. Deze materialen vermenigvuldigen zich ook niet zoals cellen. Biologische huid herstelt kleine snijwonden, en er kunnen zenuwen en andere huidorganen worden toegevoegd voor gebruik bij detectie, enzovoort.

Toepassing

De onderzoekers hebben met deze toepassing een doel voor ogen dat kan helpen op verschillende gebieden van medisch onderzoek. Het idee van een orgaan-op-een-chip is niet nieuw en vindt toepassing bij zaken als de ontwikkeling van medicijnen. Maar zoiets als een gezicht-op-een-chip zou nuttig kunnen zijn bij onderzoek naar huidveroudering, cosmetica, chirurgische procedures, plastische chirurgie en meer. Als sensoren kunnen worden ingebed, kunnen robots ook een beter milieubewustzijn en verbeterde interactieve mogelijkheden krijgen.

In het onderzoek zijn de wetenschappers erin geslaagd het menselijke uiterlijk tot op zekere hoogte na te bootsen. Ze creëerden een gezicht met hetzelfde oppervlaktemateriaal en dezelfde structuur als mensen. Ook hebben ze nieuwe uitdagingen geïdentificeerd, zoals de noodzaak van oppervlakterimpels en een dikkere opperhuid om een menselijker uiterlijk te bereiken. Ze denken dat het creëren van een dikkere en realistischere huid kan worden bereikt door het incorporeren van zweetklieren, talgklieren, poriën, bloedvaten, vet en zenuwen.

Ook beweging is een cruciale factor, en niet alleen het materiaal. Een andere belangrijke uitdaging is het creëren van menselijke expressies door geavanceerde actuatoren, of spieren, in de robot te integreren. Het creëren van robots die zichzelf kunnen genezen, hun omgeving nauwkeuriger kunnen waarnemen en taken met menselijke behendigheid kunnen uitvoeren, is voor de onderzoekers motiverend.

De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.

Foto: 2024 Takeuchi et al.