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Von der virtuellen Realität über die Rehabilitation bis hin zur Kommunikation hat die haptische Technologie die Art und Weise revolutioniert, wie Menschen mit der digitalen Welt interagieren. Während sich frühe haptische Geräte auf einzelne Sinnesreize wie vibrationsbasierte Benachrichtigungen konzentrierten, haben moderne Weiterentwicklungen den Weg für multisensorische haptische Geräte geebnet, die verschiedene Formen des berührungsbasierten Feedbacks integrieren, darunter Vibration, Hautdehnung, Druck und Temperatur.
 
Kürzlich veröffentlichte ein Expertenteam, zu dem Marcia O'Malley und Daniel Preston von der Rice University, der Doktorand Joshua Fleck, die Absolventen Zane Zook und Janelle Clark sowie weitere Mitarbeiter gehörten, in Nature Reviews Bioengineering einen ausführlichen Forschungsbericht, in dem der aktuelle Stand der tragbaren multisensorischen haptischen Technologie analysiert und ihre Herausforderungen, Fortschritte und realen Anwendungen beschrieben wurden.

Haptische Geräte, die Kommunikation durch Berührung ermöglichen, haben sich seit ihrer Einführung in den 1960er Jahren erheblich weiterentwickelt. Ursprünglich beruhten sie auf starren, geerdeten Mechanismen, die als Benutzerschnittstellen fungierten und kraftbasierte Rückmeldungen aus virtuellen Umgebungen erzeugten. Mit Fortschritten in der Sensor- und Antriebstechnologie sind haptische Geräte jedoch zunehmend tragbar geworden. Die heutigen Innovationen konzentrieren sich auf das Hautfeedback - die Stimulierung der Hautrezeptoren, um realistische Berührungsempfindungen zu erzeugen - und nicht auf das kinästhetische Feedback, das die auf den Bewegungsapparat ausgeübte Kraft nachahmt.
 
„Haptische Geräte, die am Körper getragen werden können, sind heute in Verbraucherprodukte wie Smartwatches und Spielzubehör integriert und erfüllen komplexere Aufgaben im Gesundheitswesen, in der Robotik und in immersiven Medien“, sagte O'Malley, Inhaberin der Thomas Michael Panos Family Professur in Ingenieurwissenschaften und Professorin und Lehrstuhlinhaberin für Maschinenbau. „Der neue Trend zum multisensorischen haptischen Feedback, d. h. zur gleichzeitigen Bereitstellung von mehr als einer Art von Berührungsreizen, verbessert das Benutzererlebnis, stellt jedoch neue technische und wahrnehmungsbezogene Herausforderungen dar. Mit der weiteren Entwicklung dieser Technologie werden wir sehen, wie sie sich zu einer reichhaltigeren, multisensorischen Erfahrung entwickelt - eine, die die Lücke zwischen digitaler Interaktion und menschlicher Berührung schließt.

Die Entwicklung effektiver, tragbarer, multisensorischer haptischer Geräte erfordert ein tiefes Verständnis der menschlichen Berührungswahrnehmung, und das Forschungsteam hat mehrere zentrale Herausforderungen auf diesem Gebiet identifiziert. Eine der größten Hürden ist die Variabilität der Hautkontaktmechanik, da Unterschiede in der Hautelastizität, der Rezeptorverteilung und externen Faktoren wie Feuchtigkeit die Wahrnehmung haptischer Reize verändern können. Ein weiteres Problem ist die taktile Maskierung, bei der mehrere haptische Empfindungen wie Vibration und Hautdehnung einander überlagern können, was die Wahrnehmungsschärfe verringert.
„Die Haut eines jeden Menschen reagiert anders auf Reize, weil sie unterschiedlich elastisch, feucht und sogar behaart ist“, sagt Preston, Assistenzprofessor für Maschinenbau. „Diese Variabilität macht die Entwicklung universell wirksamer Geräte unglaublich komplex.

Darüber hinaus spielen Tragekomfort und Bequemlichkeit bei jedem Produkt eine wichtige Rolle. Haptische Geräte müssen so konzipiert sein, dass sie sich an verschiedene Körperstellen anpassen, ohne Unbehagen zu verursachen, die Bewegung einzuschränken oder die täglichen Aktivitäten zu stören. Faktoren wie Gewicht, Größe und Befestigungsmethoden spielen eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der langfristigen Nutzbarkeit.

„Echtes Eintauchen in die haptische Technologie hängt nicht nur davon ab, was die Benutzer fühlen, sondern auch davon, wie natürlich und bequem sie es erleben“, so Preston.

Zusätzlich zu den Herausforderungen haben die Autoren mehrere neue Betätigungsmethoden identifiziert, die die tragbare haptische Technologie neu definieren könnten.

Die elektromechanische Übertragung, die üblicherweise in Vibrations-Feedback-Systemen verwendet wird, ist aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und Erschwinglichkeit nach wie vor die am häufigsten verwendete Methode. Allerdings ist es oft schwierig, eine Vielzahl von haptischen Hinweisen zu geben. Die polymere Aktivierung, die sich auf intelligente Polymere stützt, die ihre Form oder Beschaffenheit ändern, wenn sie Reizen ausgesetzt werden, bietet eine leichte und flexible Alternative für die Bereitstellung haptischer Rückmeldungen. Die Fluidik, bei der unter Druck stehende Luft oder Flüssigkeiten zur Erzeugung dynamischer taktiler Empfindungen eingesetzt werden, gewinnt in der Soft-Robotik und bei textilbasierten haptischen Wearables zunehmend an Bedeutung und bietet neue Möglichkeiten für Komfort und Anpassungsfähigkeit. Darüber hinaus entwickelt sich die thermische Betätigung zu einer Möglichkeit, das Eintauchen in virtuelle Umgebungen zu verbessern oder reale Interaktionen durch Wärme- oder Kälteempfindungen zu simulieren.
     
„Wir gehen davon aus, dass diese Technologien den Anwendungsbereich des haptischen Feedbacks erheblich erweitern werden, insbesondere in Bereichen wie der medizinischen Rehabilitation, der Entwicklung von Prothesen und der Mensch-Maschine-Interaktion“, so O'Malley. „Obwohl sie vielversprechend sind, müssen sie weiter verfeinert werden, um Reaktionszeit, Haltbarkeit und Energieeffizienz zu verbessern.

Der Bericht gibt ebenfalls einen Einblick in die Möglichkeiten, die die tragbare haptische Technologie für die Interaktion des Menschen mit digitalen und physischen Umgebungen eröffnen wird. In der virtuellen und erweiterten Realität verbessert die multisensorische Haptik das Eintauchen in die Materie, indem sie es den Nutzern ermöglicht, digitale Objekte zu ertasten und so das Erlebnis in Spielen, Trainingssimulationen und im Bildungsbereich zu verbessern. Im Gesundheits- und Rehabilitationswesen unterstützen tragbare Haptiksysteme das Training motorischer Fähigkeiten, die Rehabilitation nach einem Schlaganfall und die Rückmeldung von Prothesen, so dass die Patienten effektiver mit ihrer Umgebung interagieren können. Hilfstechnologien und Kommunikationsanwendungen nutzen taktile Schnittstellen, um Menschen mit Seh- oder Hörbehinderungen zu helfen, indem sie auditive oder visuelle Informationen in berührungsbasierte Signale umwandeln. Navigations- und Leitsysteme profitieren von haptischen Wearables, indem sie intuitive Richtungshinweise geben, sehbehinderte Personen unterstützen und die freihändige Navigation in Bereichen wie Militär und Luftfahrt verbessern. Auch Teleoperation und Robotik können erheblich profitieren, da ferngesteuerte Robotersysteme mit haptischem Feedback dem Benutzer ermöglichen, Objekte aus der Ferne zu „ertasten“, was die Präzision bei heiklen Aufgaben wie der Roboterchirurgie verbessert.

Trotz bedeutender Fortschritte betonen die Autoren, dass die multisensorische haptische Wahrnehmung weiter erforscht werden muss. Das Verständnis dafür, wie das Gehirn die gleichzeitigen haptischen Hinweise verarbeitet, wird für die Verbesserung künftiger Geräte von entscheidender Bedeutung sein, und um eine breite Akzeptanz zu gewährleisten, muss ein Gleichgewicht zwischen technologischer Raffinesse, Benutzerkomfort und praktischer Verwendbarkeit gefunden werden. „Das ultimative Ziel ist es, haptische Geräte zu entwickeln, die sich so natürlich anfühlen wie echte Berührungen“, so O'Malley.

Forscher des Lincoln Laboratory und des MIT entwickeln neue Arten von bioresorbierbaren Stoffen, die die spezielle Art und Weise nachahmen, in der sich weiches Gewebe dehnt und gleichzeitig heranwachsende Zellen ernährt.
 
Steve Gillmer, Mitarbeiter des Lincoln Laboratory, testet die Elastizität eines bioresorbierbaren Gewebes, um seine Steifigkeit mit verschiedenen Arten von menschlichem Gewebe zu vergleichen. Copyright: Foto: Glen Cooper/Lincoln Laboratory

Die Behandlung schwerer oder chronischer Verletzungen von Weichteilen wie Haut und Muskeln ist eine Herausforderung für die Medizin. Die derzeitigen Behandlungsmethoden können kostspielig und wirkungslos sein, wobei davon auszugehen ist, dass die Häufigkeit chronischer Wunden aufgrund von Krankheiten wie Diabetes und Gefäßerkrankungen sowie einer immer älter werdenden Bevölkerung weiter zunehmen wird.

Eine vielversprechende Behandlungsmethode besteht darin, biokompatible Materialien, die mit lebenden Zellen (d. h. Mikrogewebe) besiedelt sind, in die Wunde zu implantieren. Die Materialien bieten ein Gerüst für Stammzellen oder andere Vorläuferzellen, die in das verletzte Gewebe einwachsen und die Regeneration unterstützen. Die derzeitigen Techniken zur Herstellung dieser Gerüstmaterialien unterliegen jedoch einem entscheidenden Nachteil. Menschliches Gewebe bewegt und biegt sich auf eine einzigartige Weise, die herkömmliche weiche Materialien nur schwer nachbilden können, und wenn sich die Gerüste dehnen, können sie auch die eingebetteten Zellen dehnen, was häufig zum Absterben dieser Zellen führt. Die abgestorbenen Zellen behindern den Heilungsprozess und können außerdem eine unbeabsichtigte Immunreaktion des Körpers auslösen.

„Der menschliche Körper hat eine hierarchische Struktur, die sich nicht dehnt, sondern auffaltet“, sagt Steve Gillmer, Forscher in der Mechanical Engineering Group des MIT Lincoln Laboratory. „Wenn Sie Ihre Haut oder Muskeln dehnen, sterben Ihre Zellen deshalb nicht ab. Was tatsächlich passiert, ist, dass sich das Gewebe ein wenig entknittert, bevor es sich dehnt.“

Gillmer ist Teil eines multidisziplinären Forschungsteams, das nach einer Lösung für dieses Dehnungsproblem sucht. Er arbeitet mit Professor Ming Guo von der Abteilung für Maschinenbau des MIT und dem Defense Fabric Discovery Center (DFDC) des Labors zusammen, um neue Arten von Stoffen zu stricken, die sich genau wie menschliches Gewebe entfalten und bewegen können.

Die Idee zur Zusammenarbeit entstand, als Gillmer und Guo einen Kurs am MIT hielten. Guo hatte untersucht, wie man Stammzellen auf neuartigen Materialien züchten kann, die die Entfaltung des natürlichen Gewebes nachahmen. Er entschied sich für elektrogesponnene Nanofasern, die zwar gut funktionierten, aber in großen Längen schwer herzustellen waren, was ihn daran hinderte, die Fasern in größere Maschenstrukturen zur Gewebereparatur in größerem Maßstab zu integrieren.

„Steve erwähnte, dass das Lincoln Laboratory Zugang zu industriellen Strickmaschinen hatte“, sagt Guo. Diese Maschinen ermöglichten es ihm, sich auf die Entwicklung größerer Gestricke zu konzentrieren, anstatt einzelne Garne zu entwerfen. „Wir begannen sofort, neue Ideen mit interner Unterstützung des Labors zu testen.“
Gillmer und Guo arbeiteten mit dem DFDC zusammen, um herauszufinden, welche Strickstrukturen sich ähnlich wie verschiedene Arten von Weichgewebe bewegen können. Sie begannen mit drei grundlegenden Strickdesigns: Interlock, Ripp und Jersey.
 
„Denken Sie bei einem Jersey an Ihr T-Shirt. Wenn Sie Ihr T-Shirt dehnen, übernehmen die Garnschlingen die Dehnung“, sagt Emily Holtzman, Textilspezialistin beim DFDC. „Je länger die Schlaufen sind, desto mehr Dehnung kann der Stoff vertragen. Denken Sie bei gerippten Stoffen an die Manschette Ihres Pullovers. Diese Stoffkonstruktion hat eine universelle Dehnbarkeit, die es dem Stoff ermöglicht, sich wie eine Ziehharmonika zu entfalten.“

Interlock ist dem gerippten Gestrick ähnlich, wird aber in einem dichteren Muster gestrickt und enthält doppelt so viel Garn pro Zoll Stoff. Durch mehr Garn gibt es mehr Oberfläche, in die die Zellen eingebettet werden können. „Gestrickte Stoffe können auch so gestaltet werden, dass sie eine bestimmte Porosität oder hydraulische Durchlässigkeit aufweisen, die durch die Schlingen des Stoffes und die Garngrößen erzeugt wird,“ sagt Erin Doran, eine weitere Textilspezialistin im Team. „Diese Poren können den Heilungsprozess ebenfalls unterstützen.“

Bisher hat das Team eine Reihe von Tests durchgeführt, bei denen embryonale Fibroblastenzellen der Maus und mesenchymale Stammzellen in die verschiedenen Strickmuster eingebettet wurden, um zu sehen, wie sie sich verhalten, wenn die Muster gedehnt werden. Jedes Muster wies Variationen auf, die sich darauf auswirkten, wie stark sich das Gewebe entfalten konnte und wie starr es wurde, nachdem es sich zu dehnen begann. Alle zeigten eine hohe Überlebensrate der Zellen, und 2024 erhielt das Team erneut einen F&E-100-Preis für seine Strickmuster.
 
Gillmer erklärt, dass das Projekt zwar mit Blick auf die Behandlung von Haut- und Muskelverletzungen begann, dass ihre Stoffe jedoch das Potenzial haben, viele verschiedene Arten von menschlichem Weichgewebe, wie Knorpel oder Fett, nachzuahmen. Das Team meldete kürzlich ein vorläufiges Patent an, in dem beschrieben wird, wie diese Muster erstellt werden können und welche Materialien für die Herstellung des Garns verwendet werden sollten. Diese Informationen können als Werkzeugkasten verwendet werden, um verschiedene gestrickte Strukturen auf die mechanischen Eigenschaften des verletzten Gewebes abzustimmen, auf das sie aufgebracht werden.

„Dieses Projekt war definitiv eine Lernerfahrung für mich“, sagt Gillmer. „Jeder Zweig dieses Teams verfügt über ein einzigartiges Fachwissen, und ich denke, das Projekt wäre ohne die Zusammenarbeit aller nicht machbar. Unsere Zusammenarbeit als Ganzes ermöglicht es uns, den Umfang der Arbeit zu erweitern, um diese größeren, komplexeren Probleme zu lösen.“