Das geht unter die Haut

Die Entwicklung von Prothesen aus dem 3D-Drucker oder ­Roboterarmen und -beinen, die von mechanischen Motoren oder gar von Gedanken gesteuert werden, schreitet voran. Forscher verbinden diese Prothesen mit dem peripheren Nervensystem (PNS), also jenen Nerven, die vom Rückenmark eines Menschen in die Gliedmaßen, zum Beispiel über den Arm in die Hand, verlaufen. Was diese Prothesen bisher allerdings nicht haben, ist eine Haut, die Menschen mit künstlichen Gliedmaßen auch fühlen lassen kann. Sie können an ihren Prothesen bisher weder Druck noch Temperatur oder Feuchtigkeit wahrnehmen.

In einer Forschergruppe der Seoul University entwickelten wir eine sogenannte smart skin und haben eine Handprothese damit überzogen. Die „smart skin“ ist ein dehnbares Material mit einer hohen sensorischen Dichte und Sensibilität, das an echte Haut erinnert. Es nimmt äußere Einflüsse wahr und kann zu einem realen und integralen Teil des Körpers eines Menschen mit Prothese werden. Die neue künstliche Haut ist ein wissenschaftlicher Durchbruch. Mithilfe von Feuchtigkeits-, Temperatur- und Drucksensoren werden Menschen über diese künstlichen Gliedmaßen wieder fühlen können.

Eine Handprothese und ihre Haut müssen im Alltag komplexe Tätigkeiten meistern: Hände schütteln, auf Tastaturen tippen, Tassen mit heißen oder kalten Getränken halten oder nasse sowie trockene Oberflächen berühren. Sie sind wie ein Fenster für die Interaktion mit anderen Menschen.

Die künstliche Haut besteht aus einer dünnen, dehnbaren Silikonschicht, in die Sensoren eingelassen sind. Diese Sensoren bestehen aus einer feinen Polyimidschicht, ein Kunststoff, der als mechanische Stabilisierungsschicht dient, und kristallinem Silikon sowie feinstem dehnbaren Goldfolienmaterial, das Wärme erzeugt. Durch diese Materialzusammensetzung kann die Haut sich dehnen und Brüche der feinen Sensoren werden vermieden. Pro Quadratzentimeter gibt es bis zu hundert von ihnen. Sie müssen mit jenen peripheren Nerven verbunden werden, die von den Gliedmaßen aus ins zentrale Nervensystem (ZNS), also ins Rückenmark und Gehirn, laufen. So können die Sensoren Signale, die sie wahrnehmen, als elektronische Impulse über die peripheren Nervenstränge ans Gehirn leiten.

Haut dehnt sich, wenn man zum Beispiel die Hand bewegt. Manche Teile der Haut einer Hand dehnen sich nur um ein paar Prozent, andere hingegen um mehr als zwanzig Prozent. Das bedeutet, dass wir an manchen Stellen einen großen Dynamikbereich der Sensoren benötigen. Wenn sich die Haut dehnt, müssen die Sensoren sich also ebenso dehnen, sodass sie über eine größere Fläche etwa den Druck von außen wahrnehmen können. Indem wir die Sensoren schlangenlinienartig anordneten, ist es uns gelungen, der Haut ein großflächiges Empfindungsvermögen zu verleihen.

Um die Haut so lebensecht wie möglich zu gestalten, haben wir zudem die Motion-Capturing-Technik verwendet. Dabei werden menschliche Bewegungen mit Kameras festgehalten und in ein vom Computer lesbares Format umgewandelt. So konnten wir feststellen, wie sich Haut verhält, wenn man die Hand bewegt, und nach diesem Computermodell die „smart skin“ modellieren. Wir erfassten also die maximale Dehnbarkeit menschlicher Haut und übertrugen sie auf unsere künstliche Haut. Wichtig ist auch das Gefühl, das Hand- oder Armprothesen bei anderen Menschen hervorrufen, die mit dem Träger der Prothese zu tun haben, ihnen die Hände schütteln, etc. Der weiche Kunststoff und die dehnbaren Heizelemente geben der „smart skin“ eine menschliche Körpertemperatur, was die Berührung natürlicher wirken lassen soll.

Die „smart skin“ ist derzeit in einer Testphase. Wir haben sie an einer Ratte getestet, indem wir ihr peripheres Nervensystem mit Hautsensoren verbunden und ihre Reaktion mit Elektroden gemessen haben. Als wir Druck auf die Sensoren ausübten, zeigte das Elektroenzephalogramm, mit dem man Gehirnströme messen kann, dass das Drucksignal der Sensoren durch elektronische Impulse im Hirn der Ratte ankam. Sie hat den Druck auf der künstlichen Haut gespürt. Künftig wollen wir diese Versuche auch an größeren Tieren wie Affen durchführen. Um die künstliche Haut für den Markt herstellen zu können, suchen wir nach Kooperationsmöglichkeiten mit Elektronikfirmen wie Samsung. Die Erlaubnis zur Produktion benötigen wir zum Beispiel vom koreanischen Gesundheitsministerium. An Krankenhäusern möchten wir die künstliche Haut vorstellen. Patentiert ist sie bereits.

Wir befinden uns an einem Punkt auf dem Prothesenmarkt, an dem Menschen die einzigartige Chance erhalten, von einer neuen Klasse von Prothesen zu profitieren, von der sie zuvor nur träumen konnten. Durch die Verbindung mit dem peripheren Nervensystem und einer künstlichen Haut wird es möglich werden, dass Menschen mit Prothesen künftig äußere Einflüsse spüren und damit ihre Lebensqualität steigern können.

Protokolliert von Julia Rutz
Aus dem Englischen von Annalena Heber