Het doel is om gevoelige ‘kunsthuiden’ – bijvoorbeeld voor protheses – te ontwikkelen die vergelijkbaar – zo niet beter – kunnen voelen dan onze echte vingers.

De ontwikkelingen op het gebied van robotica gaan hard. Ondertussen zijn er al robots gemaakt die kunnen vliegen, zwemmen en duiken en zelfs exemplaren die zichzelf – zonder menselijke tussenkomst – kunnen voortplanten. Het klinkt allemaal heel vernuftig. Tegelijkertijd is onderzoeker Nathan Lepora ook kritisch. “De behendigheid van robots is slechts een bleke imitatie van die van mensen,” zegt hij in gesprek met Scientias.nl. Maar met de ontwikkeling van een bijzonder gevoelige 3D-geprinte vingertop zet hij belangrijke stappen voorwaarts.

Tastzin
Terwijl computers al tientallen jaren de beste schakers ter wereld verslaan, kunnen robots een simpel schaakstuk niet op dezelfde manier als wij verplaatsen. Dat heeft met name te maken met de gevoeligheid van onze vingertoppen. “Wetenschappers weten dat de menselijke tastzin essentieel is voor onze fysieke behendigheid,” vertelt Lepora. “Hierdoor kunnen we gewone huishoudelijke taken uitvoeren, maar ook geavanceerde gereedschappen en instrumenten bouwen.” Deze menselijke eigenschap is echter nog niet zo gemakkelijk in robotica na te bootsen. “Er zijn al veel verschillende technologieën voor een robotachtige tastzin voorgesteld,” zegt Lepora. “Maar geen één kwam zo dicht bij de realiteit als de onze.”

3D-geprinte vingertop
In de nieuwe studie is Lepora er samen met zijn collega’s in geslaagd een 3D-geprinte vinger tastzin te geven. Onze eigen tastzin wordt gecreëerd door verschillende gespecialiseerde lichaampjes en zenuwuiteinden in of vlak onder de huid. Om dit na te bootsen, maakten de onderzoekers gebruik van een 3D-geprinte huid met daarop luttele ‘pinnetjes’. “Deze zien eruit als honderden kleine, naar binnen wijzende spelden,” legt Lepora uit. “Ze repliceren een vergelijkbare structuur in de menselijke, tactiele huid, namelijk de huidpapillen.”

Doorsnede van de 3D-geprinte vingertop. Het witte plastic fungeert als een soort houder voor de flexibele zwarte rubberen huid. Beide onderdelen worden samen vervaardigd op een geavanceerde 3D-printer. De ‘pinnetjes’ aan de binnenkant van de huid repliceren huidpapillen van de menselijke huid. Afbeelding: Prof. Nathan Lepora

De 3D-geprinte vingertop bleek vervolgens te kunnen ‘voelen’ als een menselijke vingertop. “We ontdekten dat onze 3D-geprinte vingertop kunstmatige zenuwsignalen kan produceren die lijken op die van echte, tactiele neuronen,” aldus Lepora.

Toepassingen
Dat onderzoekers er nu in geslaagd zijn om de menselijke tastzin in robotica na te bootsen, opent de deur naar vele nieuwe mogelijkheden. “In principe zou een robothand met de behendigheid van de menselijke hand alle fysieke klussen en karweitjes kunnen doen die wij doen; van de afwas tot het sorteren van afval voor recycling,” stelt Lepora. “Er is op dit moment een enorme vraag vanuit de logistieke en voedingsindustrie naar robots die bijvoorbeeld automatisch goederen kunnen verpakken. Veel hiervan wordt momenteel nog altijd door mensen gedaan, omdat robots de behendigheid missen die nodig is.”

Protheses
Niet alleen kunnen robothanden met tastzin klusjes of taken overnemen, het is daarnaast veelbelovend voor de ontwikkeling van steeds betere protheses, die net zo goed – zo niet beter – kunnen voelen dan echte vingers. “Het 3D-printen van een tactiele huid kan tot robots leiden die niet alleen handiger zijn, maar ook de prestaties van prothetische handen aanzienlijk verbeteren, door ze een ingebouwd tastgevoel te geven,” aldus Lepora.

De onderzoekers hebben met hun studie een belangrijke stap gezet om de behendigheid van robotica te optimaliseren. “Ik ben er heel trots op dat onze 3D-geprinte vingertop sterk lijkt op een echte vingertop,” zegt Lepora. “40 jaar geleden maten wetenschappers de zenuwsignalen terwijl een vingertop tegen randjes en richels werd gedrukt. Wij vonden nu een vergelijkbaar patroon van kunstmatige neurale activiteit in onze 3D-geprinte huid.”

Verbeterpuntje
Ondanks deze belangrijke stap, zijn we er nog niet. “Een verbeterpuntje is dat onze 3D-geprinte huid niet heel gevoelig is voor fijne details, zoals een menselijke vinger wel is,” gaat Lepora verder. Volgens Lepora valt dit te verklaren doordat de 3D-geprinte huid dikker is dan de echte huid. “We konden ruimtes tussen richels van ongeveer 1 à 2 millimeter voelen, terwijl mensen ruimtes van minder dan een millimeter voelen,” vervolgt hij. “We willen ons ontwerp dan ook verder verbeteren, zodat deze net zo gevoelig – of zelfs gevoeliger – wordt dan de menselijke huid.” Het team onderzoekt nu hoe er fijnere structuren ge-3D-print kunnen worden, vergelijkbaar met de microscopisch kleine schaal van menselijke huid.

Menselijke tastzin
Een interessante vraag is of de menselijke tastzin eigenlijk wel de meest optimale manier is om behendigere robots te vervaardigen. “Er is inderdaad een discussie gaande over de vraag of kunstmatige tastzin onze eigen tastzin zou moeten nabootsen,” zegt Lepora. “Maar ik zie dat wel als een goed uitgangspunt. Naar mijn mening is het gebruik van onze handen een bepalend kenmerk van het mens-zijn. Onze verre voorouders bouwden al gereedschappen die ze met hun eigen handen maakten. Alle moderne technologie komt rechtstreeks voort uit machines die oorspronkelijk met de hand werden vervaardigd. Bovendien zijn alle handigheidjes en foefjes van mensen geworteld in onze cognitieve vaardigheden, waardoor we hulpmiddelen kunnen ontwerpen die ons helpen gewenste plannen en doelen te bereiken.”

Hoewel er nog wel een lange weg te gaan is voordat 3D-geprinte vingertoppen met tastzin in het dagelijks leven gebruikt zullen worden, laat Lepora met zijn studie zien dat het kan. “Het meest opwindende moment voor mij was toen we naar onze kunstmatige zenuwopnames van de 3D-geprinte vingertop keken en ze leken op de echte opnames die meer dan 40 jaar geleden zijn gemaakt,” zegt hij. “We werken al tien jaar aan ons ontwerp, gebaseerd op het namaken van de fysieke structuur van de menselijke huid. En we laten nu zien dat onze kunstmatige signalen sterk lijken op echte zenuwsignalen. Dit laat zien dat we erin geslaagd zijn om de manier waarop de menselijke tactiel huid functioneert, na te bootsen.”