Institutsbericht 2020
4.3
Institute of Computational Physics
Design und Entwicklung von künstlichen Hautmodellen für taktile Sensoranwendungen
Mitwirkende: F. Spano, D. Fehr, M. Bonmarin, J. Blunschi, R. Sassenburg Dauer: 2019–2020 Trotz der bevorstehenden Einführung von vollständig zellbasierten Hautmodellen ist die Entwicklung der künstlichen Hautmodelle immer noch im Gange und relevant. Die zellbasierten Hautmodelle sind noch weit davon entfernt, die Eigenschaften der menschlichen Haut zu reproduzieren und die Bedürfnisse der Anwender abzudecken. Insbesondere besteht nach wie vor ein Bedarf an reproduzierbaren und stabilen künstlichen Hautmodellen, die verschiedene Eigenschaften der menschlichen Haut nachahmen. Darüber hinaus – und glücklicherweise – werden Tierversuche aufgrund neuer Vorschriften und ethischer Fragen nicht mehr toleriert. Daher werden künstliche Hautmodelle entworfen und entwickelt, die verschiedene Aspekte der menschlichen Haut emulieren können, wie z. B. die mechanischen, thermischen, transpirativen und taktilen Eigenschaften [1-2].
Casting und Bar-Coating. Darüber hinaus implementieren wir neue Technologien, wie z. B. das 3D-Bioprinting.
Abb. 2: Illustrationen der taktilen Fähigkeiten des künstlichen Hautmodells, das die reale menschliche Textur und die mechanischen Eigenschaften sowie die Farbveränderung in Abhängigkeit von der angewandten Kraft und der kapazitiven Mehrpunktsensorik implementiert.
Im Rahmen einer Bachelorarbeit konzentrierten wir uns auf Design und Herstellung einer künstlichen taktilen Haut. Das Hautmodell kombiniert die mechanischen Eigenschaften und die Textur der menschlichen Haut mit einem kapazitiven Sensor und einer LED-Matrix (Abb. 1), wodurch es die Berührungspunkte und die angewandten Kräfte durch einfache Farbwechsel visualisieren kann (Abb. 2). Die mechanischen Eigenschaften wurden durch schichtweises Erzeugen eines mehrschichtigen Materials aus verschiedenen silikonbasierten Polymeren auf Siliziumbasis (Dragonskin FX Pro und Ecoflex) erzielt. Darüber hinaus wurde eine Nachbildung einer echten menschlichen Handfläche realisiert, die die Handtextur genau reproduziert und das Gefühl erhöht, mit einer menschlichen Hand zu interagieren. Unabhängig davon wurde ein flexibler kapazitiver Sensor entworfen und hergestellt, indem eine Matrix aus Drähten in die Polymerschicht eingebettet wurde. Im nächsten Schritt wurde eine LED-Matrix mit der kapazitiven Sensormatrix verbunden und programmiert. Die taktile Haut ist in der Lage, auf Mehrpunktberührungen zu reagieren und die Variation des ausgeübten Drucks durch Farbwechsel anzuzeigen. Solche Hautmodelle können z. B. als Schnittstelle für von Menschen umgebene Roboter oder für interaktive Geräte zur Kommunikation in intelligenten Städten ins Auge gefasst werden.
Abb. 1: Illustrationen der verschiedenen Herstellungsphasen: Materialentwicklung und Handflächennachbildung; Mehrschichtiges Hautmodell mit der kapazitiv-sensorischen Matrix und der LED-Matrix, gesteuert durch die Versuchselektronik.
Literatur: [1] M. Guan et al., Development of a sweating thermal skin simulant for heat transfer evaluation of clothed human body under radiant heat hazard, Applied Thermal Engineering 166, 114642 (2020). [2] L. Zhai et al., Development of a multi-layered skin simulant for burn injury evaluation of protective fabrics exposed to radiant heat, Fire and Materials 43 (2), 144-152 (2019). [3] A. K. Dabrowska et al., Materials used to simulate physical properties of the human skin, Skin Research and Technology 2016; 22: 314. [4] A. Dabrowska et al., A water-responsive, gelatine-based human skin model, Tribology International 113 (2017) 316-322.
Die künstlichen Hautmodelle bestehen im Allgemeinen aus einer mehrschichtigen Kombination von Materialien, um die reale menschliche Haut und ihre verschiedenen Schichten (Stratum corneum, Epidermis, Dermis und Subdermis) nachzuahmen. Die zur Imitierung der physikalischen Eigenschaften der menschlichen Haut benutzten Materialien sind vielfältig [3]. Oft werden Materialien auf Silikonbasis verwendet, wie z. B. Polydimethylsiloxan (PDMS) oder gelatinöse Materialien [4]. Sie werden in Abhängigkeit von den zu simulierenden Eigenschaften ausgewählt. Hinsichtlich der Herstellungsprozesse verwenden wir klassische Ablagerungstechniken, wie z. B. Drop-
Zürcher Fachhochschule
30
www.zhaw.ch
