Elektronische huid: een tastzin voor robots en prothesen
Stel je een dun, rekbaar laagje voor dat om een robothand of een prothese wordt gewikkeld, en dat net als je eigen huid voelt of iets warm, koud, ruw of zacht is, en hoe hard er wordt geknepen. Dat is in de kern wat onderzoekers elektronische huid noemen, vaak afgekort als e-skin. Het is geen huid in biologische zin, maar een kunstmatig, flexibel materiaal vol microscopisch kleine sensoren die aanraking, druk, rek en temperatuur omzetten in elektrische signalen.
Neem een ei. Een mens pakt dat moeiteloos op zonder het te pletten, omdat de huid in vingertoppen voortdurend meet hoeveel druk er wordt uitgeoefend en dat razendsnel doorgeeft aan de hersenen. Een gewone robotgrijper heeft die terugkoppeling niet en knijpt net zo hard in een ei als in een steen, met alle gevolgen van dien. Elektronische huid moet machines en prothesen dat ontbrekende gevoel geven, zodat ze net zo subtiel kunnen aanvoelen als een mensenhand.
Wat is het precies?
Elektronische huid bestaat meestal uit een aantal lagen die samen de eigenschappen van echte huid nabootsen. De basis is een dun, buigzaam en vaak rekbaar plastic, bijvoorbeeld polyimide of siliconenrubber zoals PDMS. Dat materiaal is zacht genoeg om zich te vervormen rond een vinger, een gewricht of een robotarm, in plaats van star te blijven zoals gewone elektronica.
In of op die flexibele laag zitten sensoren verwerkt, vaak in een raster van duizenden piepkleine punten. Er bestaan verschillende typen: piëzoresistieve sensoren veranderen van elektrische weerstand als ze worden ingedrukt, capacitieve sensoren meten veranderingen in een elektrisch veld tussen twee dunne platen, en piëzo-elektrische materialen wekken zelf een klein spanningssignaal op zodra ze vervormen. Door deze typen te combineren kan een stukje e-skin niet alleen druk meten, maar ook rek, trilling en temperatuur.
Al die duizenden signalen moeten razendsnel worden uitgelezen en verwerkt, net zoals het zenuwstelsel dat met huidprikkels doet. Daarvoor wordt vaak gebruikgemaakt van dunne, flexibele bedrading en kleine chips die de signalen bundelen voordat ze naar een computer of, bij een prothese, naar het zenuwstelsel van de gebruiker gaan. Sommige onderzoeksgroepen werken bovendien aan zelfherstellend materiaal: kunststoffen met chemische bindingen die na een sneetje of scheur vanzelf weer aan elkaar groeien, iets wat gewone elektronica niet kan maar echte huid wel.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is het teruggeven van tastzin aan mensen die een arm of hand hebben verloren. Huidige prothesen kunnen vaak al bewegen op basis van spiersignalen, maar de gebruiker voelt niets terug: geen druk, geen textuur, geen waarschuwing dat een grip te hard is. Elektronische huid op een prothese zou die informatie kunnen omzetten in signalen die via elektroden naar de resterende zenuwen worden gestuurd, zodat er weer een gevoel van aanraking ontstaat.
Een tweede doel ligt in de robotica. Robots die voorwerpen van wisselende vorm en breekbaarheid moeten hanteren, bijvoorbeeld in de zorg, de landbouw of een fabriek, hebben tastzin nodig om niet te grof of juist te voorzichtig te werk te gaan. Een grijper met elektronische huid kan zelf bijsturen zonder dat een camera of programmeur dat vooraf hoeft te specificeren.
Daarnaast wordt e-skin ontwikkeld als draagbare gezondheidsmonitor: een dun, huidkleurig pleistertje dat continu hartslag, temperatuur, zweetproductie of beweging meet, comfortabeler en minder opvallend dan de stugge sensoren die nu in ziekenhuizen worden gebruikt. Tot slot zien onderzoekers toepassingen in mens-machineinteractie, zoals handschoenen die vingerbewegingen zeer precies registreren voor virtual reality of voor het op afstand besturen van machines.
Voorbeelden uit de praktijk
Het onderzoek naar elektronische huid is niet alleen theorie; er zijn de afgelopen vijftien jaar diverse concrete resultaten gepubliceerd.
- Aan de Case Western Reserve University in Cleveland ontwikkelde een team onder leiding van neuro-ingenieur Dustin Tyler een systeem dat bekendstaat als e-dermis. In onderzoek dat rond 2018 in het tijdschrift Science Robotics verscheen, kregen proefpersonen met een handprothese via elektrische stimulatie van resterende zenuwen weer een gevoel van druk en zelfs pijn terug, waardoor ze bijvoorbeeld konden aanvoelen of een voorwerp een scherpe rand had.
- Scheikundige Zhenan Bao van Stanford University geldt als een van de pioniers van rekbare, zelfherstellende elektronische huid. Haar groep publiceerde al in 2012 een kunststof dat na beschadiging vanzelf weer herstelt en tegelijk elektrisch geleidend blijft, en heeft dat werk sindsdien uitgebreid naar materialen die ook op lichaamswarmte reageren.
- Aan de Universiteit van Tokio ontwikkelde de groep van Takao Someya extreem dunne, ademende elektronica die letterlijk op de huid kan worden geplakt zonder irritatie te veroorzaken, waaronder een flexibel display van slechts enkele micrometers dik, gepresenteerd in onder meer Nature in 2016.
- Onderzoekers van de National University of Singapore, onder wie Benjamin Tee, presenteerden in 2019 in Science Robotics het Asynchronous Coded Electronic Skin (ACES), een sensorsysteem dat volgens de onderzoekers signalen sneller kan doorgeven dan het menselijke zenuwstelsel, doordat elke sensor een eigen code verstuurt in plaats van dat alle sensoren om de beurt worden uitgelezen.
- Materiaalwetenschapper John Rogers, verbonden aan Northwestern University, is een van de grondleggers van zogeheten epidermal electronics: haarfijne, huidplakbare sensorpleisters die vitale functies meten. Dit werk lag mede aan de basis van het bedrijf MC10, dat commerciële draagbare gezondheidssensoren op de markt bracht.
Hoe ver is de techniek?
Elektronische huid bevindt zich grotendeels nog in de onderzoeks- en prototypefase, met uitzonderingen op deelgebieden. Eenvoudige, flexibele huidsensoren voor gezondheidsmonitoring, zoals pleisters die hartslag of temperatuur meten, zijn al in beperkte vorm commercieel verkrijgbaar. Volledige, multifunctionele elektronische huid die druk, rek, temperatuur en textuur tegelijk waarneemt en dat betrouwbaar aan het zenuwstelsel doorgeeft, wordt vooralsnog vooral getest in laboratoria en kleinschalige klinische proeven met een handvol proefpersonen.
De vooruitgang gaat gestaag maar niet spectaculair snel. Sinds de eerste rekbare sensorvellen begin jaren 2010 zijn de dichtheid van sensoren, de gevoeligheid en de rekbaarheid van de materialen flink toegenomen, en is zelfherstellend materiaal van een curiositeit in het lab veranderd in een actief onderzoeksveld met meerdere groepen wereldwijd.
Toch zijn er stevige obstakels. Elektronische huid heeft stroom nodig, en een draadje of batterij op een oppervlak dat moet buigen en rekken is technisch lastig te integreren zonder dat het scheurt of oncomfortabel wordt. Duurzaamheid is een tweede probleem: materialen die maandenlang tegen zweet, wassen en mechanische belasting bestand zijn, zijn moeilijker te maken dan een labdemonstratie die één keer werkt. Verder moet het materiaal biocompatibel zijn, dus veilig voor langdurig huidcontact of zelfs implantatie, wat uitgebreide veiligheidstests vergt voordat het als medisch hulpmiddel mag worden gebruikt. Ten slotte is er de uitdaging van opschaling: een prototype op een universiteitslab produceren is iets anders dan het betaalbaar en in grote aantallen fabriceren, en betrouwbare koppeling met het menselijk zenuwstelsel op de lange termijn is nog een open onderzoeksvraag.
Wie werken eraan?
Het onderzoek is sterk internationaal verspreid over universiteiten, met de Verenigde Staten, Japan en Singapore als opvallende zwaartepunten. In de Verenigde Staten lopen Stanford University (de groep van Zhenan Bao), Northwestern University (John Rogers) en Case Western Reserve University samen met het Cleveland VA Medical Center (Dustin Tyler) voorop, deels gefinancierd door het Amerikaanse defensie-onderzoeksagentschap DARPA, dat via het programma Revolutionizing Prosthetics al langer investeert in geavanceerde prothesetechniek.
In Azië is de Universiteit van Tokio, met het lab van Takao Someya, toonaangevend op het gebied van ultradunne, huidplakbare elektronica, terwijl de National University of Singapore met onderzoekers als Benjamin Tee bijdraagt aan snelle, neuro-geïnspireerde sensorsystemen. Ook in Europa lopen onderzoeksprojecten aan verschillende technische universiteiten en met steun van Europese onderzoeksprogramma's, al zijn de Amerikaanse en Aziatische groepen tot nu toe het meest zichtbaar in toonaangevende vaktijdschriften. Naast universiteiten zijn er kleinere technologiebedrijven die specifieke toepassingen, zoals draagbare gezondheidssensoren, verder naar de markt brengen, vaak voortgekomen uit universitair onderzoek.