Das Team unter der Leitung von Professor Shoji Takeuchi von der Universität Tokio hat sich von den Bändern der menschlichen Haut inspirieren lassen und spezielle Perforationen in ein Robotergesicht eingebracht, die einer Hautschicht Halt geben. Seine Forschung könnte der Kosmetikindustrie und der Ausbildung plastischer Chirurgen zugutekommen.
Takeuchi ist ein Pionier auf dem Gebiet der biohybriden Robotik, bei der Biologie und Maschinenbau zusammenkommen. Bisher hat sein Labor, das Biohybrid Systems Laboratory, Miniroboter entwickelt, die mit biologischem Muskelgewebe laufen, 3D-gedrucktes Fleisch, das im Labor gezüchtet wurde, künstliche Haut, die heilen kann, und vieles mehr. Bei der Erforschung der letztgenannten Produkte erkannte Takeuchi die Notwendigkeit, die Idee der Roboterhaut weiterzuentwickeln und ihre Eigenschaften und Fähigkeiten zu verbessern.
Nachahmung der menschlichen Haut für Roboter
„Während früherer Forschungen an einem fingerförmigen Roboter, der mit künstlichem Hautgewebe bedeckt war, das wir in unserem Labor gezüchtet hatten, spürte ich die Notwendigkeit einer besseren Haftung zwischen den Robotermerkmalen und der subkutanen Struktur der Haut“, sagte Takeuchi.
„Durch die Nachahmung menschlicher Haut-Band-Strukturen und durch die Verwendung speziell angefertigter V-förmiger Perforationen in festen Materialien haben wir einen Weg gefunden, die Haut an komplexe Strukturen zu binden. Die natürliche Flexibilität der Haut und die starke Haftmethode bedeuten, dass sich die Haut mit den mechanischen Komponenten des Roboters bewegen kann, ohne zu reißen oder sich abzulösen.“
Frühere Methoden zur Befestigung von Hautgewebe an festen Oberflächen umfassten Elemente wie Mini-Anker oder Haken, aber diese schränken die Arten von Oberflächen ein, an denen die Hautbeschichtung angebracht werden kann, und können bei Bewegung Schäden verursachen. Wenn man stattdessen kleine Perforationen anbringt, kann man die Haut auf praktisch jeder Art von Oberfläche anbringen.
Der Trick des Teams bestand darin, ein spezielles Kollagengel zu verwenden, das von Natur aus zähflüssig ist und sich daher nur schwer in die winzigen Perforationen einführen lässt. Mithilfe einer gängigen Technik zum Verkleben von Kunststoffen, der sogenannten Plasmabehandlung, gelang es ihnen jedoch, das Kollagen in die feinen Strukturen der Perforationen zu locken und gleichzeitig die Haut dicht an der Oberfläche zu halten.
Organ-on-a-Chip und Face-on-a-Chip
„Die Manipulation von weichem, feuchtem biologischem Gewebe während des Entwicklungsprozesses ist viel schwieriger, als Außenstehende vielleicht denken. Wenn beispielsweise die Sterilität nicht aufrechterhalten wird, können Bakterien eindringen und das Gewebe stirbt ab“, sagte Takeuchi.
„Aber jetzt, wo wir das können, kann die lebende Haut den Robotern eine Reihe neuer Fähigkeiten verleihen. Selbstheilung ist eine große Sache – einige Materialien auf chemischer Basis können zur Selbstheilung gebracht werden, aber sie benötigen Auslöser wie Hitze, Druck oder andere Signale, und sie vermehren sich auch nicht wie Zellen. Biologische Haut repariert kleine Risse wie unsere, und es können Nerven und andere Hautorgane hinzugefügt werden, um sie für die Wahrnehmung und so weiterzunutzen.“
Diese Forschung wurde jedoch nicht nur durchgeführt, um einen Beweis zu erbringen. Takeuchi und sein Labor haben mit dieser Anwendung ein Ziel vor Augen, das in verschiedenen Bereichen der medizinischen Forschung von Nutzen sein könnte. Die Idee eines Organ-on-a-Chip ist nicht besonders neu und wird zum Beispiel bei der Entwicklung von Medikamenten eingesetzt, aber so etwas wie ein Face-on-a-Chip könnte bei der Erforschung der Hautalterung, in der Kosmetik, bei chirurgischen Eingriffen, in der plastischen Chirurgie und vielen anderen Bereichen nützlich sein.
Herausforderungen und Blick in die Zukunft
Durch die Integration von Sensoren könnten Roboter auch mit einem verbesserten Umweltbewusstsein und verbesserten interaktiven Fähigkeiten ausgestattet werden. „In dieser Studie ist es uns gelungen, das menschliche Aussehen bis zu einem gewissen Grad zu reproduzieren, indem wir ein Gesicht mit dem gleichen Oberflächenmaterial und der gleichen Struktur wie beim Menschen geschaffen haben“, sagt Takeuchi.
„Darüber hinaus haben wir durch diese Forschung neue Herausforderungen erkannt, wie die Notwendigkeit von Oberflächenfalten und einer dickeren Epidermis, um ein menschenähnlicheres Aussehen zu erreichen. Wir glauben, dass eine dickere und realistischere Haut durch die Integration von Schweißdrüsen, Talgdrüsen, Poren, Blutgefäßen, Fett und Nerven erreicht werden kann. Natürlich ist auch die Bewegung ein entscheidender Faktor, nicht nur das Material. Eine weitere wichtige Herausforderung ist die Schaffung einer menschenähnlichen Mimik durch die Integration hoch entwickelter Aktuatoren oder Muskeln in den Roboter. Die Entwicklung von Robotern, die sich selbst heilen, ihre Umgebung genauer wahrnehmen und Aufgaben mit menschenähnlicher Geschicklichkeit ausführen können, ist unglaublich motivierend“.
