Elektronische kunstmatige huid registreert pijn

Een nieuwe elektronische kunstmatige huid reageert net als de mens op pijnprikkels. De huid reageert hierbij met dezelfde snelheid als het menselijk lichaam.

De elektronische huid is ontwikkeld door de Australische RMIT University uit Melbourne. Onderzoekers van de universiteit hebben een prototype apparaat ontwikkeld dat op elektronische wijze de manier repliceert waarop de menselijke huid pijn registreert. Het apparaat bootst hierbij de nagenoeg directe reactie van het menselijk lichaam na. Dit kan onder meer helpen schade aan protheses te voorkomen.

‘Grote stap voorwaarts’

Hoogleraar en hoofdonderzoeker Madhu Bhaskaran ziet de ontwikkeling als een belangrijke stap richting de volgende generatie biomedische technologieën en intelligente robots. De huid is het grootste zintuiglijk orgaan van ons lichaam, met complexe functies ontworpen om razendsnel waarschuwingssignalen te versturen indien iets ons pijn doet”, legt Bhaskaran uit.

“We voelen continu dingen via onze huid, maar de pijnreactie treedt alleen op een bepaalde moment in werking. Bijvoorbeeld indien we iets heets of scherps aanraken.” De kunstmatige huid reageert direct indien druk, warmte of kou een bepaalde onderwaarde overschrijdt. “Het is een kritiek stap voorwaarts in de ontwikkeling van geavanceerde feedbacksystemen die we nodig hebben om echt slimme protheses en intelligente robotica te ontwikkelen.”

Temperatuur en druk registreren

Naast een kunstmatige huid die pijn registreert zijn ook een aantal andere prototypes van de huid ontwikkeld. Het gaat hierbij om een variant die reageert op veranderingen in temperatuur en een versie die veranderingen in druk registreert. Met de prototypes willen de onderzoekers belangrijke zintuiglijke functies van de huid in elektronische vorm beschikbaar maken.

Op termijn hopen de onderzoekers dat hun uitvinding ook een alternatief kan zijn voor huidtransplantaties. Zij voorzien hierbij met name toepassingen indien conventionele huidtransplantaties niet mogelijk zijn of niet blijken te werken. “Verdere ontwikkeling is nodig om deze technologie in biomedische toepassingen te integreren, maar de fundamenten – biocompatibiliteit en huidachtige uitrekbaarheid – zijn beschikbaar”, zegt Bhaskaran.

Drie componenten

De prototypes bestaan uit drie componenten:

• rekbare elektronica in de vorm van transparante, onbreekbare en draagbare elektronica met de dikte van een sticker.
• Temperatuur-reactieve coatings: aanpasbare coatings die duizendmaal dunner zijn dan een menselijke haar op basis van een materiaal dat reageert op warmte.
• Geheugen dat de hersenen nabootst: elektronische geheugencellen die de wijze nabootsen waarop de hersenen het langetermijngeheugen inzetten om informatie op te slaan en op te vragen.

Ataur Rahman, één van de onderzoekers betrokken bij het project, legt uit dat de geheugencellen worden gebruikt om een bepaalde reactie te starten indien de druk, warmte of pijn een bepaalde grenswaarde overschrijft. “We hebben in feite de eerste elektronische somatosensoren (red: cellen die temperatuur, pijn of aanrakingen registreren) gecreëerd, waarbij we sleutelfuncties van het complexe systeem van neuronen, neurale paden en receptoren repliceren die onze perceptie van zenuwstimuli aandrijven.”

“Hoewel sommige bestaande technologieën elektrische signalen gebruiken om verschillende niveau’s van pijn te stimuleren, kunnen deze nieuwe apparaten reageren op echte mechanische druk, temperatuur en pijn, en zo de juiste elektronische reactie leveren”, aldus Rahman. “Dit betekent dat onze kunstmatige huid het verschil weet tussen een voorzichtige aanraking van een pin met de vinger of dat je je per ongeluk met deze pin prikt – een kritiek onderscheid dat nog niet eerder elektronisch is gemaakt.”

Niet de eerste prothese met gevoel

Een van de toepassingen die de onderzoekers voor ogen hebben is het realiseren van slimme protheses die hun gebruikers gevoel geven. Op dit gebied zijn meer ontwikkelingen. Een voorbeeld is een project van de Chalmers University of Technology onder leiding van hoogleraar Max Ortiz Catalan. Binnen dit project kregen een drietal Zweden een kunstarm toegewezen die is verbonden met hun zenuwen, spieren en skelet. Door het gevoel dat gebruikers in hun prothese hebben, kunnen zij deze veel nauwkeuriger besturen dan een conventionele prothese.

De John Hopkins School of Medicine ontwikkelde daarnaast eerder een vergelijkbare elektronische huid, die eveneens ‘gevoel’ heeft. Deze huid is ontwikkeld voor de vingertoppen van een handprothese. De huid bestaat uit een combinatie van stof en rubber, waarin sensoren zijn aangebracht. De kunstmatige huid kan gebruikers hierdoor gevoel in hun vingertoppen geven en daarnaast pijn laten voelen.

Meer informatie over het onderzoek van de RMIT University is hier beschikbaar.

Auteur: Wouter Hoeffnagel