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Synthetische, selbstheilende Haut, die empfindlich auf Berührung reagiert

2021

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Bevor wir die realistischen humanoiden Roboter konstruieren können, die unsere lebhaftesten Science-Fiction-Träume bevölkern, müssen viele menschliche Systeme synthetisch emuliert werden. Nicht die geringste Herausforderung ist die menschliche Haut. Mit Nervenenden gefüllt und in der Lage, sich im Laufe der Zeit selbst zu heilen, dient unsere Haut sowohl als massives sensorisches System als auch als Barriere zwischen unserem Inneren und der Außenwelt. Jetzt hat ein interdisziplinäres Team von Stanford-Forschern das erste synthetische Material geschaffen, das bei Raumtemperatur selbstheilend und berührungsempfindlich ist - ein Durchbruch, der die Anfänge einer neuen Art von Roboterhaut sein könnte (und in der Zwischenzeit viel Spaß macht mehr praktische Anwendungen wie verbesserte Prothetik).

Das Stanford-Material ist weit entfernt von dem ersten selbstheilenden Kunststoff oder Polymer, bietet jedoch einige Vorteile, die es auszeichnen. Zum einen erfordern viele selbstheilende Materialien eine Art Katalysator oder spezielle Bedingungen, um zu heilen, wie z. B. das Aussetzen an hohe Temperaturen oder bestimmte Lichtspektren. Andere können bei Raumtemperatur abheilen, aber im Allgemeinen nur einmal - der Akt der Heilung verändert ihre chemische Struktur so, dass sie es nicht ein zweites Mal tun können, geschweige denn ein drittes oder viertes Mal.

Dann, wenn ein Analogon für Haut das ist, wonach Sie wirklich suchen, gibt es das Problem mit der Berührungsempfindlichkeit. Die meisten Kunststoffe, Polymere und dergleichen - die in der Selbstheilungsforschung verwendeten Primärmaterialien - sind fantastische Isolatoren. Aber um ein Material mit einem Tastsinn zu versehen - und um es mit einem größeren digitalen System zu verbinden - möchten Sie wirklich etwas Leitfähiges. Hier hat das Stanford-Team wirklich Neuland betreten. Sein Material kann Schnitte oder Risse bei Raumtemperatur mehrfach reparieren und ist leitfähig.

Wie haben die Forscher es geschafft? Sie begannen mit einem Kunststoff, der aus Molekülketten bestand, die durch einfache Wasserstoffbrücken verbunden waren. Dies verleiht die Fähigkeit zur Selbstheilung, da die Bindungen leicht gebrochen, aber auch leicht wiederhergestellt werden können, indem die gebrochenen Ketten einfach wieder in Kontakt miteinander gebracht werden. Im Labor haben die Forscher ein Stück des Materials vollständig abgetrennt und zwei separate Hälften erstellt. Nachdem die Schnittkante einige Sekunden lang zusammengedrückt worden war, waren drei Viertel der vorherigen Festigkeit wiederhergestellt. Innerhalb einer halben Stunde kehrte es zu fast 100 Prozent Stärke zurück. Nach 50 solchen Versuchen ist das Material immer noch gut verheilt.

Um Leitfähigkeit zu erreichen, verteilten die Forscher Nickelpartikel in ihrem Kunststoff. Diese Nickelpartikel erhöhen nicht nur die mechanische Festigkeit des Materials, sondern dienen auch als Mittel, damit sich Elektronen durch das Material bewegen, von einem Partikel zum nächsten springen und einen elektrischen Strom erzeugen. Durch Biegen, Biegen oder anderweitiges Verziehen des Materials wird der Abstand zwischen den Nickelpartikeln geändert, wodurch sich die Beständigkeit des Materials gegenüber dem Strom ändert. Dieser elektrische Widerstand kann gemessen werden, um die Form der Haut und den darauf ausgeübten Druck zu bestimmen.

Man kann sich leicht vorstellen, dass so etwas in die künftige Prothetik integriert wird, um denjenigen, denen ein Glied fehlt, wieder einen Tastsinn zu verleihen. Sofort könnte ein solches Material verwendet werden, um andere Elektronik zu umhüllen und ihnen eine Selbstheilungsfähigkeit zu verleihen. Die Ergebnisse wurden in der 11. November-Ausgabe der Zeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht .

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