Ken je dat kriebelende gevoel van een vlieg op je gezicht? Zeer irritant voor de meesten van ons, maar voor wetenschappers is een elektronische sensor die zoiets subtiels ook kan ‘voelen’ een ware uitdaging. Twee Amerikaanse onderzoeksgroepen hebben nu onafhankelijk van elkaar materiaal ontwikkeld dat hiertoe in staat is. Beide vondsten staan deze week in de online editie van het gezaghebbende blad Nature Materials.

Niet dat deze onderzoekers nu zo dol zijn op insectenpootjes; het ultieme doel van hun onderzoek is het namaken van de menselijke huid. Een kunstmatig materiaal met dezelfde gevoeligheid als onze huid biedt namelijk tal van mogelijkheden. Zo kunnen er bijvoorbeeld protheses van worden gemaakt waarmee de patiënt weer kan voelen of zijn robots ermee in staat breekbare voorwerpen op te pakken. De onderzoekers hebben een belangrijke stap in deze richting gezet. Beide groepen ontwikkelden een sensor welke de druk die erop wordt uitgeoefend omzet in een elektrisch signaal. De manier waarop de sensor dit doet is echter in beide gevallen verschillend.

Kun je met een toekomstige kunsthuid deze vlinder ook ‘voelen’?

Linda Cicero, Stanford University News Report

Piramides

De ene sensor, ontwikkeld door Zhenan Bao en haar collega’s van de Stanford University, bestaat uit een elastische rubberlaag (van het polymeer PDMS) tussen twee lagen die werken als elektrodes. Alles is bij elkaar minder dan één millimeter dik. De rubberlaag kan elektrische lading opslaan. Maar zodra de rubberlaag wordt ingedrukt, verandert de hoeveelheid lading die het rubber kan opslaan. De elektrodes registreren dit en vertalen die verandering naar het ‘voelen van iets’.

De rubberlaag is niet perfect glad. Bao en haar collega’s hebben in het oppervlak minuscule piramides weggesneden: 25 miljoen piramides per vierkante centimeter. Deze microstructuur zorgt ervoor dat de sensor sneller herstelt naar zijn begintoestand nadat hij is ingedrukt. Verder bleek de sensor zeer gevoelig. De kleinste druk die wij op onze huid kunnen voelen is ongeveer één kilopascal. De sensor bleek een wel duizend keer kleinere druk te kunnen meten. Bekijk onderstaand filmpje voor een demonstratie waarin de sensor een 20 milligram wegende (opgezette) vlinder ‘voelt’.

U-vorm

Maar naast de gevoeligheid is ook de flexibiliteit van het materiaal belangrijk. Onze huid is immers zeer elastisch. Voor een buigzame sensor moeten we bij de andere groep zijn. Ali Javey en zijn collega’s van de Berkeley Universiteit in Californië gingen met nanodraden aan de slag.

Nanodraden van germanium en silicium om precies te zijn. Deze nanodraden persten ze in een geordend patroon op een raster van 18 bij 19 hokjes. De paar honderd nanodraadjes die elk hokje omvatte, vormden met elkaar een transistor. Bovenop dit raster werd een drukgevoelige laag rubber geplaatst, waarvan de elektrische weerstand verandert als er op wordt geduwd.

Het materiaal van de groep van Javey. De zwarte vierkantjes zijn de hokjes van het raster.

A. Javey & K. Takei, UC Berkeley

Deze sensor kon druk tussen 0 en 15 kilopascal registeren, waarbij bovendien de druk per hokje afzonderlijk af te lezen was. De gevoeligheid was misschien niet zo nauwkeurig als bij de sensor van de wetenschappers uit Stanford, maar deze sensor bleek daarentegen bijzonder flexibel. Dit bewezen ze door het materiaal in een U-vorm te buigen. De sensor werkte nog steeds prima. Bovendien had deze sensor in tegenstelling tot de sensor van Bao een laag voltage nodig om te werken.

Een artistieke weergave van een hand bedekt met een kunsthuid op basis van het materiaal van de groep van Javey. De hand houdt een ei vast.

A. Javey & K. Takei, UC Berkeley

Onder de indruk

De twee groepen wetenschappers laten hiermee zien dat de gevoeligheid en flexibiliteit van de huid zeker na te maken is. De ultieme nephuid van de toekomst zal waarschijnlijk de sterke kanten van beide sensors combineren, denkt John Bolland, chemicus aan het Trinity College in Dublin. In een opinie-artikel in dezelfde editie van Nature Materials laat hij zijn licht schijnen op de ontdekkingen. Hij is onder de indruk. “Essentieel is dat de onderzoekers flexibele materialen hebben gebruikt, en dat beide sensoren zeer gevoelig bleken”, zo schrijft hij.

Toegegeven, een materiaal dat zeer gevoelig is voor druk en bovendien erg buigzaam, maakt nog geen kunsthuid. Daar is meer voor nodig, vindt ook Stephanie Lacour, een materiaalwetenschapper van de Universiteit van Cambridge. In een nieuwsbericht van Nature News zegt ze dat een kunsthuid ook andere soorten krachten, zoals het schrapen van een tak langs je been, moet kunnen voelen. “Dat is moeilijk tot stand te brengen”, zegt ze. En dan hebben we het nog niet eens over het probleem van het koppelen van een kunsthuid aan het zenuwstelsel om daadwerkelijk iets te voelen.

Eerstvolgende stap voor beide groepen is nu het opschalen van hun productie: de grootste stukken materiaal die ze wisten te maken, waren niet groter dan een paar vierkante centimeter. Het is voorlopig dus nog niet zover, maar het lijkt onvermijdelijk: ook met een kunsthuid zul je die irritante insectenpootjes blijven voelen.