3D-gedruckte Haut verleiht Robotern Tastsinn

Wissenschaftler an der University of Minnesota haben einen neuartigen Prozess für den 3D-Druck von dehnbarer Sensorik entwickelt. Diese könnten Robotern die Fähigkeit verleihen, ihre Umgebung zu erspüren. Die Erfindung stellt auch einen wichtigen Schritt hin zum Druck von Elektronik auf echte menschliche Haut dar. Sie wird in der kommenden Ausgabe von Advanced Materials ausführlicher vorgestellt.

Michael McAlpine, Professor für Maschinenbau und leitender Wissenschaftler für die Studie, erklärt: „Das von uns entwickelte dehnbare elektronische Material hat viele Anwendungen in der Praxis. Wenn man diese Art „bionischer Haut“ an Roboter in der Chirurgie anbringt, könnte man Chirurgen ermöglichen, während minimalinvasiver Operationen tatsächlich zu fühlen.“ Das erleichtere Operationen, als wenn man, wie derzeit üblich, nur Kameras verwende. Mit diesen Sensoren können andere Roboter zudem einfacher laufen und mit ihrer Umwelt kommunizieren.  

McAlpine, bekannt für seine Arbeit an einem bionischen Ohr, das 3D-gedruckte Nanomaterialien und  Elektronik in sich vereint, sagt, dass mit dem neuen Verfahren Elektronik auch auf menschliche Haut drucken könne. Diese ultimativ tragbare Technologie ließe sich einmal für Gesundheitsüberwachung oder für das Aufspüren gefährlicher Chemikalien verwenden. Man habe zwar noch nicht auf menschliche Haut gedruckt, wohl aber auf die gewölbte Oberfläche eines Handmodells, so McAlpine. Außerdem habe man eine gedruckte Baugruppe mit der Haut verbunden und sei erstaunt gewesen, dass diese sich als empfindlich genug erwiesen habe, den Puls in Echtzeit zu ermitteln.

Der 3D-Drucker für das berührungssensitive Material verfügt über vier Düsen, um verschiedene spezialisierte „Tinten“ zu drucken, die dann schließlich die Schichten der Einheit aufbauen: eine Grundschicht aus Silizium, oben und untern Elektroden aus leitender Tinte, ein spulenförmiger Drucksensor und eine Stützschicht, welche die oberste Schicht beim Aufbau am Platz hält und die später im letzten Schritt der Fertigung ausgewaschen wird.

Alle Schichten lassen sich bei Raumtemperatur auftragen. Denn das im konventionellen 3D-Druck genutzte flüssige Plastikmaterial ist zu heiß und zu unelastisch für den Einsatz auf der Haut. Die flexiblen 3D-gedruckten Sensoren können sich auf das Dreifache ihrer ursprünglichen Größe ausdehnen.

Der nächste Schritt soll in Richtung Halbleiter-Tinten und Druck auf einen realen Körper erfolgen. Außer McAlpine gehören zum Team der beteiligten Wissenschaftler Shuang-Zhuang Guo, Kaiyan Qiu, Fanben Meng und Sung Hyun Park. Die Arbeit wurde unterstützt vom National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering of the National Institutes of Health (Award No. 1DP2EB020537). Die Wissenschaftler nutzten die Ausstattung der University of Minnesota Characterization Facility und Polymer Characterization Facility für die Tests.

Bild: Ein neuartiger, an der University of Minnesota entwickelter 3D-Drucker kann Berührungssensoren direkt auf eine modellierte Hand drucken. Credit: Shuang-Zhuang Guo and Michael McAlpine, University of Minnesota, „3D Printed Stretchable Tactile Sensors,“ Advanced Materials. 2017. Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.