Forskere skaper kunstig hud inspirert av blekkspruter

Et team av ingeniører ved Penn State har utnyttet egenskapene til huden på naturens mest fascinerende blekkspruter, som blåmannet octopus, blæksprutter og cuttlefish, for å skape en strekkbar og smart kunstig hud. Den kunstige huden etterligner elastisiteten og nevrale funksjoner i blekksprutens hud, og den kan brukes til en rekke anvendelser som neurorobotikk, hudproteser, kunstige organer og mer.

Forskningen ble publisert i Proceedings of the National Academy of Sciences. Teamet ble ledet av Cunjiang Yu, Dorothy Quiggle Career Development Associate Professor of Engineering Science and Mechanics og Biomedical Engineering.

Rekreasjon av blekksprutens hud

Blekksprutens hud er et mykt organ som kan tåle komplekse deformasjoner som utvidelse, kontraksjon, bøyning og twisting. Den har også kognitive sanse- og responsfunksjoner som gjør at huden kan sanse lys, reagere og kamuflere seg til været.

Disse typene kunstige hud er ikke helt nye, og det har vært tidligere versjoner med lignende fysiske og kognitive egenskaper. Men, Yu sier at ingen av dem har samtidig vist både kvaliteter, som er nødvendig for avanserte, kunstig intelligente bioelektriske hudenheter.

“Selv om flere kunstige kamuflasjehud-enheter har blitt utviklet nylig, mangler de kritiske desentraliserte nevromorfe prosesserings- og kognisjonsfunksjoner, og materialer med slike funksjoner mangler robuste mekaniske egenskaper”, sa Yu. “Våre nylig utviklede myke synaptiske enheter har oppnådd hjernelignende dataprocesjon og kunstige nervesystemer som er følsomme for berøring og lys som beholder disse nevromorfe funksjonene når de strekkes toaksialt.”

Oppnåelse av smartness og strekkbarhet

Forskerne satte ut til å oppnå både smartness og strekkbarhet samtidig, og de gjorde dette ved å bygge synaptiske transistorer laget helt av elastomeriske materialer. De gummiaktige halvlederne, som sender kritiske meldinger frem og tilbake, opererer på en lignende måte som nevrale forbindelser. De påvirkes ikke av de fysiske endringene i systemets struktur.

Yu sier at nøkkel til å skape denne type hud-enhet var å bruke elastomeriske gummiaktige materialer for hver komponent, som resulterte i at enheten suksessfullt viste og opprettholdt nevrale synaptiske atferd. Den kunne vise disse atferdene, inkludert bilde-sansing og memorisering, selv når den ble strekt, twistet og pukt.

“Med den nylige økningen av smarte hud-enheter, å implementere nevromorfe funksjoner i disse enhetene åpner døren for en fremtidig retning mot mer kraftfulle biomimetiske løsninger”, sa Yu. “Denne metoden for å implementere kognitive funksjoner i smarte hud-enheter kunne extrapoleres til mange andre områder, inkludert nevromorfe datamaskiner, kunstige organer, myke neurorobotikk og hudproteser for neste generasjons intelligente systemer.”

Forskningen inkluderte også medforfattere Hyunseok Shim, Seonmin Jang og Shubham Patel, Penn State Department of Engineering Science and Mechanics; Anish Thukral og Bin Kan, University of Houston Department of Mechanical Engineering; Seongsik Jeong, Hyeson Jo og Hai-Jin Kim, Gyeongsang National University School of Mechanical and Aerospace Engineering; Guodan Wei, Tsinghua-Berkeley Shenzhen Institute; og Wei Lan, Lanzhou University School of Physical Science and Technology.