In-vivo actuation of compliant dielectric elastomer artificial muscles via a peripheral nerve interface

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der die eigene Verdrahtung Ihres Körpers direkt einen winzigen, synthetischen Muskel steuern könnte, den Sie in sich selbst implantiert haben. Das ist keine Science-Fiction; es ist die Speerspitze der „flexiblen Bioelektronik“, einem Feld, das versucht, die Lücke zwischen unserer weichen, nachgiebigen Biologie und der starren, harten Welt der Maschinen zu schließen. Jahrelang waren Wissenschaftler hervorragend darin, Sensoren zu bauen, die unseren Nerven „zuhören“ können, indem sie die elektrischen Flüstertöne entschlüsseln, die unseren Fingern sagen, dass sie sich bewegen sollen, oder unseren Augen, dass sie blinzeln sollen. Aber Maschinen zu bauen, die zu unserem Gewebe „zurücksprechen“ können – die es mit derselben sanften Berührung wie ein echter Muskel tatsächlich drücken, ziehen oder quetschen können – war ein massives Problem. Das Problem ist, dass die meisten künstlichen Muskeln entweder zu steif (wie ein Roboterarm) oder zu schwach sind, um echte Haut zu bewegen. Um dies zu lösen, schauen sich Forscher „dielektrische Elastomer-Aktuatoren“ (DEAs) an. Stellen Sie sich diese als superdünne, dehnbare Gummischichten vor, die wie Kondensatoren (Bauteile, die Elektrizität speichern) wirken. Wenn man sie mit Hochspannung beaufschlagt, werden sie in der Mitte zusammengedrückt und dehnen sich zur Seite aus, wodurch sie die Art und Weise nachahmen, wie ein echter Muskel kontrahiert. Die große Frage war schon immer: Können wir diese empfindlichen, hochspannungsführenden Gummischichten sicher in einen wasserfesten Anzug einpacken und sie innerhalb eines lebenden Körpers tanzen lassen, gesteuert direkt durch einen Nerv?

Dieses Paper sagt: „Ja, das können wir“, und sie haben es zum allerersten Mal in einem lebenden Tier geschafft. Die Forscher, angeführt von Stefania Konstantinidi und ihrem Team, machten sich daran, einen „künstlichen Muskel“ zu bauen, der Menschen mit Gesichtslähmung helfen soll, wieder zu lächeln. Eine Gesichtslähmung ist ein schwieriger Zustand, bei dem die Nerven aufhören, mit den Muskeln zu kommunizieren, die den Mund nach oben ziehen, was das Gesicht in einem neutralen, manchmal traurigen Ausdruck einfrieren lässt. Aktuelle Lösungen beinhalten oft komplexe Operationen, bei denen Muskeln aus anderen Körperteilen verpflanzt werden, was viel Zeit in Anspruch nimmt und ein erneutes Training des Gehirns erfordert, um diese zu nutzen. Das Team wollte einen neuen, weicheren Ansatz testen: ein winziges, dehnbaches Implantat, das direkt unter der Haut sitzt und auf ein Signal eines Nervs wartet, um den Mund zu einem Lächeln zu ziehen.

Zuerst mussten sie den Muskel entwerfen. Sie erschufen eine „verstärkte“ Version der Gummischicht (eine rDEA), indem sie Schichten aus dehnbarem Silikon zwischen weiche, kohlenstoffhaltige Elektroden legten und sie mit winzigen, starken Fasern aus PET (demselben Kunststoff, der auch für Wasserflaschen verwendet wird) verstärkten. Diese Fasern wirken wie die Maserung in Holz und lassen den Muskel in eine bestimmte Richtung dehnen, genau wie echte Muskelfasern. Sie testeten dies an einem realistischen Modell eines menschlichen Schädels, der mit Kunsthaut (Silikon) bedeckt war. Sie fanden heraus, dass sich der künstliche Muskel ausdehnte und die künstliche Mundwinkelhaut nach oben zog, wenn sie die Spannung einschalteten. Es gelang ihnen, ihn unter Lasten, die sich wie echte Gesichtshaut anfühlten, um 14 % zu dehnen, was bewies, dass das Konzept am Labortisch funktionierte.

Dann kam der echte Test: das Einsetzen in ein Lebewesen. Das Team verwendete betäubte Ratten für dieses Experiment. Sie schufen eine kleine Tasche unter der Haut der Ratte auf ihrem Rücken und schob den winzigen, vollständig eingepackten künstlichen Muskel hinein. Um sicherzustellen, dass der Muskel die Haut tatsächlich bewegen kann und nicht nur aufgrund von Reibung stecken bleibt, verwendeten sie ein spezielles Ultraschallgel, das als Schmiermittel fungierte und den Widerstand zwischen dem Implantat und der Haut reduzierte. Als sie eine Hochspannung von 7 kV (Kilovolt anlegten, bewegte das Implantat die Haut der Ratte erfolgreich und bewegte sie um bis zu 0,78 mm. Das mag klein klingen, aber in der Welt der winzigen Implantate ist das ein riesiger Sprung.

Der spannendste Teil war jedoch das „neuronale Interface“. Anstatt nur einen Schalter mit einer Fernbedienung umzulegen, wollte das Team, dass das eigene Nervensystem der Ratte die Arbeit erledigt. Sie befestigten eine flexible Manschette (wie ein winziges Armband) um den Ischiasnerv der Ratte (einen großen Nerv im Bein). Wenn sie den Nerv stimulierten, wanderte das elektrische Signal durch die Manschette und löste die Bewegung des künstlichen Muskels aus. Der Muskel reagierte in Echtzeit und bewegte die Haut synchron zum Nervensignal. Sie testeten sogar verschiedene Geschwindigkeiten, von 0,5 bis 3 Mal pro Sekunde, was den Bereich natürlicher Bewegungen wie Blinzeln oder Lächeln abdeckt. Die Verzögerung war minimal – nur wenige Zehntel Millisekunden –, was bedeutet, dass das System mit der Geschwindigkeit eines echten Lächelns mithalten konnte.

Ein kluger Trick, den das Team anwandte, war eine „invertierte“ Denkweise bezüglich des Muskels. Echte Muskeln ziehen den Mund nach oben, wenn sie kontrahieren. Dieser künstliche Muskel funktioniert jedoch genau umgekehrt: Wenn er „aus“ ist, zieht er die Haut natürlich zu einem Lächeln. Wenn man die Spannung „an“ schaltet, dehnt er sich aus und lässt die Haut in eine neutrale Position zurückgleiten. Dies ist tatsächlich eine Superkraft für Patienten mit Lähmungen. Wenn das Implantat immer „an“ ist (das Lächeln hält), verbraucht es fast keine Energie, um dort zu bleiben, da es einfach eine Ladung wie eine Batterie hält. Es benötigt nur einen winzigen Energieschub, um loszulassen und zu entspannen. Das bedeutet, dass ein zukünftiges Gerät ein gelähmtes Gesicht ohne Batterieverbrauch glücklich und symmetrisch aussehen lassen könnte.

Die Forscher weisen vorsorglich darauf hin, dass dies eine frühe „akute“ Studie ist, was bedeutet, dass sie an Tieren durchgeführt wurde, die während des Tests betäubt und anschließend human eingestellt wurden. Sie haben die Implantate nicht über Wochen oder Monate im Körper belassen, um zu sehen, wie der Körper über die Zeit reagiert, noch haben sie die Technologie an Menschen getestet. Sie merkten auch an, dass die Rattenhaut anders ist als die menschliche Gesichtshaut und dass das Gel, das sie zur Reibungsminderung verwendeten, möglicherweise durch etwas ersetzt werden muss, das länger im Körper haltbar ist. Dennoch beweist diese Studie, dass die grundlegende Idee funktioniert: Man kann einen weichen, dehnbaren Hochspannungs-Muskel implantieren, und er wird einem lebenden Nerv zuhören und Gewebe sicher bewegen. Dies ist ein grundlegender Schritt, der zeigt, dass die Brücke zwischen unserem Nervensystem und synthetischen weichen Muskeln möglich ist, was den Weg für zukünftige Geräte ebnet, die eines Tages Menschen, die ihr Lächeln verloren haben, das Lächeln zurückgeben könnten.