Nanodraadjes van ijzer kunnen onze tastzin nabootsen, belangrijk voor protheses of zorgrobots

Het imiteren van onze tastzin is behoorlijk ingewikkeld. Onze huid kan extreem gevoelig heel veel verschillende dingen waarnemen. Nabootsen van de tastzin is belangrijk om bijvoorbeeld een kunsthuid voor protheses of voor zorgrobots te ontwikkelen. Misschien lukt het met nanodraadjes van ijzer, opperen onderzoekers in het vakblad Advanced Materials.

6 november 2015

Meteen vanaf de geboorte gebruiken we onze tastzin om de omgeving te verkennen.mrgreen09 via Wikimedia Commons CC BY 2.0

We vragen ons allemaal wel eens af hoe is het is om een zintuig te verliezen. En dat draait altijd uit op een keuze tussen twee zintuigen. Wat vind je erger: blind of doof zijn? Dat je ook je spraak of je reuk kunt verliezen, jaagt de meeste mensen blijkbaar veel minder schrik aan. Ook onze tastzin zien we vaak over het hoofd. Maar probeer je eens voor te stellen hoe het is als je niet (meer) kunt voelen. Een recente publicatie in het tijdschrift Advanced Materials beschrijft hoe nanodraadjes van ijzer dit gemis wellicht kunnen herstellen.

Aan het imiteren van de tast via allerlei sensoren wordt al jarenlang onderzoek gedaan. Bijvoorbeeld om prothesen van een kunsthuid te voorzien, waarmee de drager weer lichte druk kan ‘voelen’ en daardoor eenvoudiger voorwerpen kan pakken. Ook voor allerlei toepassingen in de zorg is het belangrijk dat een instrument of op termijn een zorgrobot beschikt over een soort tastzin.

Linksboven een grafische weergave van de tastsensor met nanoijzerdraadjes, geïnspireerd op de haartjes op spinnenpoten (rechtsboven). Zoals een trilhaar bij afbuiging een neuron activeert tot het geven van een zenuwprikkel, zo geeft een buigend nanodraadje een verandering in het magnetisch veld dat wordt omgezet in een elektrisch signaal. Linksonder de sensor aangebracht op een handschoen.J. Kosel/KAUST (met toestemming)

Kriebelen

Veel van de sensoren die tot nu toe zijn ontwikkeld concentreren zich op het waarnemen van druk en dan vooral van heel lichte druk. De menselijke huid is ontzettend gevoelig. We merken meteen als er iets onze huid raakt: een vederlicht insectenpootje, een losse haar die op onze rug kriebelt, etc. Maar de huid kan meer waarnemen dan druk. We voelen het als er een luchtstroom langs aait of als er vloeistof over onze hand loopt. Ook voelen we het verschil tussen ruwe en gladde oppervlakken.

Impressie van de tastsensor met nanoijzerdraadjes (boven) en hoe de sensor reageert op een oppervlak (onder).J. Kosel/KAUST (met toestemming)

Ahmed Alfadel en Jürgen Kosel van de King Abdullah University of Science and Technology in Saudi-Arabië hebben zich laten inspireren door de minuscule trilharen zoals we die vinden op insectenpoten, maar ook in ons binnenoor. Als ‘haartjes’ gebruiken ze nanodraadjes van ijzer, die aan een kant vastzitten aan een magnetische sensor, ook op nanoschaal (een nanometer, nm, is een miljardste meter).

Door tijdens het maken en vastzetten de ijzerdraadjes bloot te stellen aan een magnetisch veld, worden de draadjes magnetisch. Het ijzer houdt die magnetisatie heel goed vast. Daarin zit het geheim van deze aanpak. Want zodra de draadjes worden gebogen door aanraking of trilling, verandert het magnetisch veld iets en dat kan de sensor registreren. Deze sensor is een zogeheten giant magneto-impedance (GMI) sensor. Door een verandering in het magnetisch veld, verandert de impedantie, oftewel weerstand, in de sensor. Dat verschil in weerstand kun je vervolgens uitlezen als een spanningsverschil.

Hartslag

De onderzoekers hebben de ijzerdraadjessensor op verschillende manieren getest. Onder meer door deze aan te brengen direct boven de aders in de pols, om daarmee de hartslag te registeren. Precies zoals een verpleegkundige doet door een vinger erop te drukken en te tellen. De meting leverde een perfecte weergave van het hartritme op. Ook bleek de sensor in staat oppervlakken nauwkeurig te registeren en (verschillen in) vloeistofstromen waar te nemen. Vooral dat laatste is een opzienbarend resultaat, aldus de onderzoekers.

Volgens de onderzoekers levert hun sensor veel aanknopingspunten voor verdere ontwikkeling. Dankzij de permanente magnetisatie verbruiken de GMI-sensoren nauwelijks stroom en bovendien zijn ze eenvoudig en goedkoop te produceren. Ook kun je door het formaat van de ijzerdraadjes aan te passen, verschillende sensoren ontwikkelen: extreem gevoelige sensoren, die een druk van minder dan 500 Pa (Pascal, eenheid van druk) kunnen voelen, maar ook sensoren die juist veel grotere drukken (tot 300.000 Pa) aankunnen voor toepassing in de industrie. Ter vergelijking, 1.000 Pa is de kleinste druk die de menselijke huid kan voelen. Nooit geweten dat ijzer zo gevoelig kon zijn.

Bron