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

Stel je een wereld voor waarin de bedrading van je eigen lichaam direct een kleine, synthetische spier kan aansturen die je in jezelf hebt geplant. Dit is geen sciencefiction; het is de voorhoede van de "flexibele bio-elektronica", een vakgebied dat probeert de kloof te overbruggen tussen onze zachte, veerkrachtige biologie en de rigide, harde wereld van machines. Jarenlang waren wetenschappers erg goed in het bouwen van sensoren die naar onze zenuwen kunnen luisteren, waarbij ze de elektrische fluisteringen decoderen die onze vingers vertellen te bewegen of onze ogen te knipperen. Maar het maken van machines die terug kunnen praten tegen ons weefsel—door het met dezelfde zachte aanraking als een echte spier daadwerkelijk te duwen, te trekken of te knijpen—is een enorme hoofdpijn geweest. Het probleem is dat de meeste kunstmatige spieren ofwel te stijf zijn (zoals een robotarm) of te zwak om echte huid te bewegen. Om dit op te lossen, kijken onderzoekers naar "dielektrische elastomer actuator" (DEA's). Denk aan deze als superdunne, rekbare rubberen vellen die fungeren als condensatoren (apparaten die elektriciteit opslaan). Wanneer je ze met een hoge spanning een schok geeft, worden ze in het midden samengedrukt en strekken ze zich zijdelings uit, waardoor ze de manier waarop een echte spier samentrekt nabootsen. De grote vraag is altijd geweest: Kunnen we deze delicate, hoogspanningsrubberen vellen veilig in een waterdicht pak wikkelen en ze laten dansen in een levend lichaam, aangestuurd direct door een zenuw?

Dit artikel zegt: "Ja, dat kunnen we," en ze hebben het voor de allereerste keer in een levend dier gedaan. De onderzoekers, onder leiding van Stefania Konstantinidi en haar team, gingen aan de slag met het bouwen van een "kunstmatige spier" om mensen met een gezichtsparalyse weer te laten glimlachen. Gezichtsparalyse is een lastige aandoening waarbij de zenuwen stoppen met communiceren met de spieren die je mond omhoog trekken, waardoor een gezicht bevroren blijft in een neutrale, soms verdrietige uitdrukking. Huidige oplossingen omvatten vaak complexe operaties om spieren uit andere delen van het lichaam te verplaatsen, wat veel tijd kost en vereist dat je je brein opnieuw traint om ze te gebruiken. Het team wilde een nieuwe, zachtere aanpak testen: een piepklein, rekbaar implantaat dat direct onder de huid zit en wacht op een signaal van een zenuw om de mond in een glimlach te trekken.

Eerst moesten ze de spier ontwerpen. Ze creëerden een "versterkte" versie van het rubberen vel (een rDEA) door lagen rekbaar silicone tussen zachte koolstofelektroden te zandwichen en het te versterken met minuscule, sterke vezels gemaakt van PET (hetzelfde plastic dat voor waterflessen wordt gebruikt). Deze vezels werken als de nerf in hout, waardoor de spier in één specifieke richting kan rekken, net als echte spiervezels. Ze testten deze op een realistisch model van een menselijke schedel bedekt met nephuid (silicone). Ze ontdekten dat wanneer ze de spanning aanzetten, de kunstmatige spier zich uitstrekte en de hoek van de neppe mond omhoog trok. Ze slaagden erin de spier met 14% te laten rekken onder belastingen die aanvoelden als echte gezichtshuid, waarmee bewezen werd dat het concept op een werkbank functioneerde.

Toen kwam de echte test: het plaatsen van de spier in een levend wezen. Het team gebruikte onder narcose gebrachte ratten voor dit experiment. Ze maakten een klein zakje onder de huid van de rat op de rug en gleden de kleine, volledig ingepakte kunstmatige spier naar binnen. Om er zeker van te zijn dat de spier de huid daadwerkelijk kon bewegen en niet alleen vast kwam te zitten door wrijving, gebruikten ze een speciale ultrasoundgel, die fungeerde als een smeermiddel, waardoor de weerstand tussen het implantaat en de huid werd verminderd. Wanneer ze een hoge spanning van 7 kV (kilovolt) toepasten, duwde het implantaat de huid van de rat succesvol opzij, waarbij het tot 0,78 mm bewoog. Dat klinkt misschien klein, maar in de wereld van minuscule implantaten is het een enorme stap voorwaarts.

Het meest opwindende deel was echter de "neurale interface". In plaats van alleen een schakelaar om te zetten met een afstandsbediening, wilde het team dat het eigen zenuwstelsel van de rat het werk deed. Ze bevestigden een flexibele cuff (zoals een klein armbandje) rond de nervus achilles (een belangrijke zenuw in het been) van de rat. Wanneer ze de zenuw stimuleerden, reisde het elektrische signaal door de cuff en activeerde de kunstmatige spier om te bewegen. De spier reageerde in realtime, waarbij de huid synchroon met het zenuwsignaal bewoog. Ze testten zelfs verschillende snelheden, van 0,5 tot 3 keer per seconde, wat het bereik dekt van natuurlijke bewegingen zoals knipperen of glimlachen. De vertraging was minimaal—slechts enkele tientallen milliseconden—wat betekent dat het systeem het tempo van een echte glimlach kon bijhouden.

Eén slimme truc die het team gebruikte, was een "omgekeerde" manier van denken over de spier. Echte spieren trekken je mond omhoog wanneer ze samentrekken. Maar deze kunstmatige spier werkt precies andersom: wanneer hij uit staat, trekt hij de huid van nature in een glimlach. Wanneer je de spanning aan zet, rekt hij uit en laat hij de huid weer ontspannen naar een neutrale positie. Dit is eigenlijk een superkracht voor patiënten met verlamming. Als het implantaat altijd "aan" staat (de glimlach vasthoudt), verbruikt het bijna geen energie om daar te blijven, omdat het simpelweg een lading vasthoudt zoals een batterij. Het heeft slechts een kleine burst aan energie nodig om los te laten en te ontspannen. Dit betekent dat een toekomstig apparaat een verlamd gezicht er gelukkig en symmetrisch uit kan laten zien zonder de batterij leeg te trekken.

De onderzoekers wijzen er voorzichtig op dat dit een vroege, "acute" studie is, wat betekent dat het werd uitgevoerd op dieren die onder narcose werden gebracht en direct na de test menselijk werden beëindigd. Ze hebben de implantaten niet weken of maanden laten zitten om te zien hoe het lichaam er na verloop van tijd op reageert, noch hebben ze het op mensen getest. Ze merkten ook op dat de huid van een rat anders is dan die van een mens, en dat de gel die ze gebruikten om wrijving te verminderen, mogelijk vervangen moet worden door iets dat langer in het lichaam kan blijven. Echter, deze studie bewijst dat het basisidee werkt: je kunt een zachte, rekbare hoogspanningskunstmatige spier implanteren, en deze zal luisteren naar een levende zenuw en weefsel veilig bewegen. Het is een fundamentele stap die aantoont dat de brug tussen ons zenuwstelsel en synthetische zachte spieren mogelijk is, wat de weg vrijmaakt voor toekomstige apparaten die ooit de glimlach kunnen terugbrengen bij hen die die verloren hebben.