Forscher entwickeln künstliche Haut, inspiriert von Cephalopoden

Ein Team von Ingenieuren an der Penn State hat die Eigenschaften der Haut von Cephalopoden, wie Octopussen, Tintenfischen und Sepien, genutzt, um eine dehnbare und intelligente künstliche Haut zu entwickeln. Die künstliche Haut imitiert die Elastizität und neurologischen Funktionen der Cephalopoden-Haut und könnte für eine Vielzahl von Anwendungen wie Neurorobotik, Hautprothesen, künstliche Organe und mehr verwendet werden.

Die Forschung wurde in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht. Das Team wurde von Cunjiang Yu, Dorothy Quiggle Career Development Associate Professor of Engineering Science and Mechanics und Biomedical Engineering, geleitet.

Rekreation der Cephalopoden-Haut

Die Haut von Cephalopoden ist ein weiches Organ, das komplexe Deformationen wie Ausdehnung, Kontraktion, Biegen und Drehen aushalten kann. Sie verfügt auch über kognitive Sinnes- und Reaktionsfunktionen, die es der Haut ermöglichen, Licht zu spüren, zu reagieren und sich ihrer Umgebung anzupassen.

Solche künstlichen Hauttypen sind nicht ganz neu, und es gab bereits vorherige Versionen mit ähnlichen physikalischen und kognitiven Fähigkeiten. Aber, wie Yu sagt, hat keine von ihnen gleichzeitig beide Eigenschaften gezeigt, was für fortschrittliche, künstlich intelligente bioelektrische Hautgeräte notwendig ist.

“Obwohl in letzter Zeit mehrere künstliche Tarnhaut-Geräte entwickelt wurden, fehlen ihnen kritische dezentralisierte neuromorphe Verarbeitungs- und Kognitionsfähigkeiten, und Materialien mit solchen Fähigkeiten haben keine robusten mechanischen Eigenschaften”, sagte Yu. “Unsere kürzlich entwickelten weichen synaptischen Geräte haben brain-inspirierte Rechenfunktionen und künstliche Nervensysteme erreicht, die auf Berührung und Licht reagieren und diese neuromorphen Funktionen auch bei biaxialer Dehnung beibehalten.”

Erreichung von Intelligenz und Dehnbarkeit

Die Forscher versuchten, gleichzeitig Intelligenz und Dehnbarkeit zu erreichen, und sie erreichten dies, indem sie synaptische Transistoren aus elastomeren Materialien bauten. Die gummiartigen Halbleiter, die wichtige Nachrichten hin- und hersenden, funktionieren ähnlich wie neuronale Verbindungen. Sie werden nicht von den physikalischen Änderungen in der Struktur des Systems beeinflusst.

Yu sagt, dass der Schlüssel zur Schaffung solcher Hautgeräte darin bestand, elastomere gummiartige Materialien für jeden Komponenten zu verwenden, was dazu führte, dass das Gerät erfolgreich neurologische synaptische Verhaltensweisen zeigte und beibehielt. Es konnte diese Verhaltensweisen, einschließlich Bildsensoren und Memorisation, auch dann zeigen, wenn es gedehnt, gedreht und gestoßen wurde.

“Mit dem jüngsten Anstieg intelligenter Hautgeräte bietet die Implementierung neuromorpher Funktionen in diese Geräte eine Tür für eine zukünftige Richtung hin zu leistungsfähigeren Biomimetika”, sagte Yu. “Diese Methode zur Implementierung kognitiver Funktionen in intelligente Hautgeräte könnte in viele andere Bereiche extrapoliert werden, einschließlich neuromorpher Rechenwearables, künstlicher Organe, weicher Neurorobotik und Hautprothesen für next-generation intelligente Systeme.”

Die Forschung umfasste auch Co-Autoren Hyunseok Shim, Seonmin Jang und Shubham Patel, Penn State Department of Engineering Science and Mechanics; Anish Thukral und Bin Kan, University of Houston Department of Mechanical Engineering; Seongsik Jeong, Hyeson Jo und Hai-Jin Kim, Gyeongsang National University School of Mechanical and Aerospace Engineering; Guodan Wei, Tsinghua-Berkeley Shenzhen Institute; und Wei Lan, Lanzhou University School of Physical Science and Technology.