Onderzoekers creëren kunstmatige huid geïnspireerd op cephalopoden

Een team van ingenieurs aan de Penn State heeft de eigenschappen van de huid van de meest fascinerende cephalopoden in de natuur, zoals octopussen, inktvissen en sepia’s, gebruikt om rekbaar en slim kunstmatig materiaal te creëren. De kunstmatige huid bootst de elasticiteit en neurologische functies van cephalopodehuid na en kan voor een breed scala aan toepassingen worden gebruikt, zoals neurorobotica, huidprotheses, kunstmatige organen en meer.

Het onderzoek werd gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences. Het team werd geleid door Cunjiang Yu, Dorothy Quiggle Career Development Associate Professor of Engineering Science and Mechanics en Biomedical Engineering.

Het creëren van cephalopodehuid

Cephalopodehuid is een zacht orgaan dat complexe vervormingen kan doorstaan, zoals uitbreiden, inkrimpen, buigen en draaien. Het heeft ook cognitieve zintuiglijke en reageerfuncties die de huid in staat stellen om licht te detecteren, te reageren en te camoufleren naar het weer.

Dit soort kunstmatige huiden is niet geheel nieuw en er zijn eerder versies met soortgelijke fysieke en cognitieve capaciteiten geweest. Maar, zoals Yu zegt, heeft geen enkele van deze huiden tegelijkertijd beide kwaliteiten vertoond, wat noodzakelijk is voor geavanceerde, kunstmatig intelligente bio-elektrische huidapparaten.

“Hoewel er onlangs verschillende kunstmatige camouflagehuidapparaten zijn ontwikkeld, ontbreken deze essentiële niet-centrale neuromorfische verwerking en cognitieve capaciteiten, en materialen met deze capaciteiten ontbreken robuuste mechanische eigenschappen”, zei Yu. “Onze onlangs ontwikkelde zachte synaptische apparaten hebben hersen-geïnspireerde computing en kunstmatige zenuwstelsels bereikt die gevoelig zijn voor aanraking en licht en deze neuromorfische functies behouden wanneer ze tweezijdig worden uitgerekt.”

Het bereiken van slimheid en rekbaarheid

De onderzoekers stelden zich ten doel om tegelijkertijd zowel slimheid als rekbaarheid te bereiken, en ze deden dit door synaptische transistors te bouwen die volledig uit elastomere materialen bestaan. De rubberachtige halfgeleiders, die kritieke boodschappen heen en weer sturen, werken op een manier die vergelijkbaar is met neurale verbindingen. Ze worden niet beïnvloed door de fysieke veranderingen in de structuur van het systeem.

Yu zegt dat de sleutel tot het creëren van dit type huidapparaat was om elastomere rubberachtige materialen voor elk onderdeel te gebruiken, wat resulteerde in het feit dat het apparaat succesvol neurologische synaptische gedragingen vertoonde en behield. Het was in staat om deze gedragingen te vertonen, waaronder beelddetectie en memorisatie, zelfs wanneer het werd uitgerekt, gedraaid en geprikt.

“Met de recente golf van slimme huidapparaten, het implementeren van neuromorfische functies in deze apparaten opent de deur voor een toekomstige richting naar meer krachtige biomimetische toepassingen”, zei Yu. “Deze methode voor het implementeren van cognitieve functies in slimme huidapparaten kan worden uitgebreid naar veel andere gebieden, waaronder neuromorfische computing-dragers, kunstmatige organen, zachte neurorobotica en huidprotheses voor next-generation intelligente systemen.”

Het onderzoek omvatte ook co-auteurs Hyunseok Shim, Seonmin Jang en Shubham Patel, Penn State Department of Engineering Science and Mechanics; Anish Thukral en Bin Kan, University of Houston Department of Mechanical Engineering; Seongsik Jeong, Hyeson Jo en Hai-Jin Kim, Gyeongsang National University School of Mechanical and Aerospace Engineering; Guodan Wei, Tsinghua-Berkeley Shenzhen Institute; en Wei Lan, Lanzhou University School of Physical Science and Technology.