3D-Robotergesicht mit lebendiger Haut zeigt die nächste Stufe der Robotik
Der erste Roboter wurde 1956 entwickelt und heute sind sie aus unserem Alltag kaum noch wegzudenken. Ob als Industrieroboter in der Wirtschaft oder als Serviceroboter im Wohnzimmer, wie etwa als Staubsaugerroboter, sie erleichtern uns vieles. Bisher haben Roboter jedoch wenig Ähnlichkeit mit Menschen gezeigt. Dies könnte sich bald aufgrund neuer Fortschritte in der Gewebeforschung und mithilfe des 3D-Drucks ändern.
An der Universität Tokio wurde unter der Leitung von Professor Shoji Takeuchi künstlich gezüchtetes Hautgewebe mittels 3D-gedruckter Perforationen auf Robotergesichtern befestigt. Die kultivierte Haut, inspiriert von menschlichen Hautbändern, besteht aus lebenden Zellen und verfügt über die Fähigkeit zur Selbstheilung. Um die Haut an der Oberfläche zu befestigen, wurde ein perforationsartiger, V-förmiger Anker in den Roboterkopf integriert, der sowohl eine hohe Stärke als auch Flexibilität bietet. Die kleinen Perforationen erleichtern die Anbringung der Haut an der Oberfläche.
Der 3D-Druck und das Auftragen der lebendigen Haut auf das 3D-Robotergesicht. (Bild: Takeuchi et al)
Die Herstellung der V-förmigen Löcher und des Roboterkopfes erfolgte mittels des 3D-Druckers AGLISTA-3100 von Keyence, einem japanischen Unternehmen. Der Drucker verwendete die Material-Jetting Technologie, bei der UV-lichtsensibles Harz aushärtet und schließlich das 3D-Objekt bildet. Die Wahl fiel auf diese Technologie, da sie einen präzisen und zuverlässigen Druck ermöglicht. Dank der Perforationen war es leichter, Kollagengel auf der Oberfläche zu verteilen, damit die Haut fest an dem 3D-gedruckten Roboterkopf fixiert bleibt. Das Kollagengel, das normalerweise zäh ist und sich dadurch schwer in die kleinen Löcher einfügen lasst, wurde einer Plasmabehandlung unterzogen. Dies ermöglichte es dem Kollagen in die Perforationen zu gleiten, wodurch die Haut dann einfacher an der Oberfläche befestigt blieb.
Bei vorherigen Methoden beschädigten Bewegungen die aufgelegte Haut und die herkömmlichen Materialien begünstigten kein menschliches Aussehen. Dies ändert sich nun durch die mit der Basis verbundenen Anker, welche die Bewegung des Lächelns und die Dehnung der Haut ermöglichen. Takeuchi erklärt: „In dieser Studie ist es uns gelungen, das menschliche Erscheinungsbild bis zu einem gewissen Grad nachzubilden, indem wir ein Gesicht mit dem gleichen Oberflächenmaterial und der gleichen Struktur wie Menschen geschaffen haben. Darüber hinaus haben wir durch diese Forschung neue Herausforderungen identifiziert, wie die Notwendigkeit von Oberflächenfalten und einer dickeren Epidermis, um ein menschlicheres Erscheinungsbild zu erreichen. Wir glauben, dass eine dickere und realistischere Haut durch die Einbeziehung von Schweißdrüsen, Talgdrüsen, Poren, Blutgefäßen, Fett und Nerven geschaffen werden kann. Natürlich ist auch Bewegung ein entscheidender Faktor, nicht nur das Material, daher besteht eine weitere wichtige Herausforderung darin, menschenähnliche Ausdrücke zu schaffen, indem hochentwickelte Aktuatoren oder Muskeln in den Roboter integriert werden.“
Das Auftragen von Kollagengel, was zur Befestigung der lebendigen Haut führt. (Bild: Takeuchi et al.)
Für die Herstellung der Haut kauften die Forscher normale menschliche dermale Fibroblasten und epidermale Keratinozyten von anonymen menschlichen Spendern. Zur Aufrechterhaltung der Hautzellen wurden diese mit einem speziellen Wachstumsmedium und Antibiotika behandelt, während die Nährstoffversorgung regelmäßig aufgefrischt wurde. „Weiches, feuchtes biologisches Gewebe während des Entwicklungsprozesses zu manipulieren, ist viel schwieriger, als Außenstehende vielleicht denken. Wenn beispielsweise die Sterilität nicht gewährleistet ist, können Bakterien eindringen und das Gewebe stirbt ab“, betonte Takeuchi.
Die Forschung eröffnet viele Möglichkeiten: Die Haut könnte zur Produkttestung in der Kosmetikindustrie angewendet werden, was potentiell zu der Reduzierung von Tierversuchen führt. Auch für die Ausbildung von plastischen Chirurgen wäre die Haut von großem Vorteil, um sich mit operativen Vorgängen vertraut zu machen. Die Mensch-Roboter-Kommunikation könnte sich durch menschenähnliche Roboter verändern, da diese in der Lage wären, Gefühle durch unterschiedliche Gesichtsausdrücke zu vermitteln. In der Robotik ist die Innovation vorteilhaft, weil sie zu erhöhter Mobilität, verbesserten Sensorfunktionen und einem humanoiden Aussehen führt. Die selbstheilende Haut trägt zur Verlängerung der Lebensdauer der Roboter bei und senkt somit Kosten für mögliche Reparaturen. Im Forschungsbericht wird hervorgehoben: „Ein wichtiger nächster Schritt in dieser Forschung ist die Nutzung dieses Modells, um unser Verständnis der Mechanismen der Faltenbildung zu verbessern. Darüber hinaus könnte die Anwendung dieses Wissens zur Nachbildung solcher Ausdrücke auf einem Chip Anwendung in der Kosmetikindustrie und der orthopädischen Chirurgie finden.“ Mehr über den Fortschritt erfahren Sie HIER.
Der V-förmige Anker verzieht das flache Robotergesicht mit der lebenden Haut zu einem Lächeln. Danach nimmt die Haut ihre ursprüngliche Form an. (Bild: Takeuchi et al.)
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*Bildnachweise: ©2024 Takeuchi et al. CC-BY-ND
