Künstliche Haut sendet Druckreize an Nervenzellen

Mit modernen Handprothesen können Patienten bereits einfache Griffe ausüben. Doch über einen Tastsinn verfügen diese künstlichen Greifer bisher nicht. Das könnte sich bald mit einer elektronischen Sensorhaut ändern, die Wissenschaftler entwickelt haben. In der Fachzeitschrift „Science“ berichten sie, dass ihre mehrschichtige und flexible Sensorhaut Druckreize in optische Signale umwandelte, die von Nervenzellen verarbeitet werden konnten. Diese Entwicklung ist ein erster Schritt hin zu fühlenden Prothesen, könnte aber auch in der Robotik angewendet werden.

Handprothese mit Tastsinn

„Erstmals kann ein hautähnliches Material Druckreize detektieren und die Signale an Komponenten eines Nervensystems weiterleiten“, sagt Zhenan Bao von der Stanford University. Den Prototyp einer künstlichen Haut fertigten die Forscherin und Kollegen aus zwei funktionellen Schichten, um mechanische Druckreize über mehrere Schritte an Nervenzellen weiterzuleiten.

Die obere Schicht bestand aus einem flexiblen, hauchdünnen Polyurethan-Kunststoff, in den zahlreiche Nanoröhrchen aus Kohlenstoff eingelagert wurden. In dieser Kombination wirkte die Schicht als Piezowiderstand, der mit zunehmender Stärke eines Druckreizes höhere elektrische Spannungen von bis zu elf Volt leitete. Über integrierte organische Transistoren konnte diese elektrische Spannung in elektrische Pulse mit Frequenzen bis zu 200 Hertz umgewandelt werden. Je stärker der Druck, desto höher war die Signalfrequenz.

Diese elektrischen Pulse, vergleichbar mit Morse-Signalen, wurden darauf zur unteren Schicht mit einer integrierten Leuchtdiode geleitet. Abhängig von der Frequenz der elektrischen Signale blitzte die Leuchtdiode auf. Auf diese kurzen Lichtblitze reagierten Nervenzellen von Mäusen, die die Forscher zuvor in einer Laborkultur angezüchtet hatten. So optisch angeregt sendeten die Nervenzellen wiederum elektrische Pulse aus, die prinzipiell von einem Nervensystem verarbeitet werden können.

Mit dieser Sensorhaut schafften es die Forscher, eine komplette Signalkette vom mechanischen Druckreiz bis zum neuronalen Puls aufzubauen. Dennoch ist es bis zu einer Verknüpfung mit dem Nervensystem lebender Tiere oder gar Patienten noch ein weiter Weg. Bao ist davon überzeugt, dass nach dem Tastsinn auch weitere Sensoren für Temperatur, Struktur einer Oberfläche oder Feuchtigkeit in Sensorhäute ergänzt werden könnten. Gelingt dies, könnten in Zukunft Prothesen entwickelt werden, die verschiedene Reize wie die menschliche Haut detektieren könnten. Neben dem Einsatz in der Medizintechnik könnten auch Roboter oder neuartige Mensch-Maschine-Schnittstellen mit diesen vielseitigen Sensorhäuten ausgestattet werden.