具有3D打印面部和活體皮膚的機(jī)器人

2024 年 7 月 3 日，南極熊獲悉，東京大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種將活體皮膚附著在機(jī)器人上的方法。這項(xiàng)技術(shù)涉及 3D 打印，靈感來(lái)自人類皮膚韌帶，有望提升機(jī)器人逼真的外觀和功能。

機(jī)器人皮膚的挑戰(zhàn)

設(shè)計(jì)用于與人類互動(dòng)的機(jī)器人通常需要類似皮膚的覆蓋物，以模仿人類皮膚的外觀和功能。傳統(tǒng)材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，特別是自我修復(fù)和逼真觸覺反饋等功能。使用由活細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)制成的培養(yǎng)皮膚因其天然功能而非常有前景，但將這種活體皮膚牢固地附著在機(jī)器人身上非常困難。


△ 將皮膚組織與機(jī)器人結(jié)合

解決方案

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，東京大學(xué)竹內(nèi)翔二教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組受皮膚韌帶的啟發(fā)，開發(fā)了“穿孔式錨”。這些錨是使用 3D 打印技術(shù)在機(jī)器人表面制造的小 V 形孔，用含有皮膚形成細(xì)胞的膠原凝膠填充這些孔，為皮膚創(chuàng)造一個(gè)牢固的附著力。

錨點(diǎn)由總部位于日本大阪的 Keyence 公司生產(chǎn)的 AGILISTA-3100 高精度 3D 打印機(jī)制作而成。該打印機(jī)采用材料噴射技術(shù)，利用紫外線固化樹脂制作精密部件，能夠制作高分辨率原型和功能部件，層厚度可達(dá) 15 微米，特別適合需要精確可靠的 3D 打印的應(yīng)用，是制作本研究中所需的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的絕佳選擇。

為了確保膠原凝膠能夠很好地滲透并粘附在錨內(nèi)，3D 打印設(shè)備的表面需要經(jīng)過(guò)等離子處理。這種處理使設(shè)備更加親水，增強(qiáng)了凝膠在孔內(nèi)擴(kuò)散和粘附的能力。然后將膠原凝膠引入錨中并使其凝膠化，形成穩(wěn)定的皮膚附著點(diǎn)。


△ 工程皮膚組織及其與機(jī)器人特征下層復(fù)雜結(jié)構(gòu)的粘附受到人體組織中皮膚韌帶的啟發(fā)

測(cè)試方法

研究團(tuán)隊(duì)使用穿孔型錨來(lái)創(chuàng)建覆蓋有皮膚等效物的 3D 面部模型，以測(cè)試該方法的有效性；團(tuán)隊(duì)還構(gòu)建了一個(gè)能夠微笑的機(jī)器人臉效果較好，表明等離子處理顯著提高了凝膠對(duì)錨的滲透性，從而使皮膚更牢固地附著。

根據(jù)《Cell Reports Physical Science》（《細(xì)胞報(bào)告物理科學(xué)》）雜志發(fā)表的一項(xiàng)研究，“經(jīng)過(guò)等離子處理的錨具有更好的潤(rùn)濕性”，使膠原凝膠能夠更有效地滲透到錨中。提高了皮膚的附著力和穩(wěn)定性。該方法已成功應(yīng)用于制造復(fù)雜的 3D 形狀，例如面部模型，并展示了在機(jī)器人臉上創(chuàng)造逼真表情的能力。


△ 新的錨定方法可以使靈活的皮膚組織與相對(duì)平坦的機(jī)器人笑臉相適應(yīng)，皮膚變形而不會(huì)限制機(jī)器人，隨后恢復(fù)到其原始形狀

哈佛大學(xué)生物工程研究生 Michio Kawai 表示：“能夠在手掌大小的實(shí)驗(yàn)室芯片上重現(xiàn)皺紋形成，可用于測(cè)試旨在預(yù)防、延緩或改善皺紋形成的新型化妝品和護(hù)膚品�！彼�在東京大學(xué)就讀期間曾參與該項(xiàng)目，并于 2022 年與 Takeuchi 一起發(fā)表了論文《Living skin on a robot》（《機(jī)器人上的活皮膚》）。Kawai 和其他研究人員創(chuàng)造了一種可控制的機(jī)器人手指，上面覆蓋著活體皮膚組織。機(jī)器人手指上有活細(xì)胞和支持有機(jī)材料，可實(shí)現(xiàn)理想的形狀和強(qiáng)度，適用于需要輕柔觸感但又需要堅(jiān)固耐用的應(yīng)用場(chǎng)景。

生物機(jī)器人發(fā)展前景


盡管網(wǎng)上許多人都對(duì)這種“現(xiàn)實(shí)”的進(jìn)步感到擔(dān)憂，甚至將機(jī)器人的臉與科幻電影《銀翼殺手》中虛構(gòu)的生物工程人形復(fù)制人的臉進(jìn)行比較，但這項(xiàng)創(chuàng)新對(duì)生物混合機(jī)器人領(lǐng)域具有重要意義。生物混合機(jī)器人技術(shù)相對(duì)較新，它將生物材料與機(jī)器人系統(tǒng)相結(jié)合，創(chuàng)造出更逼真、功能更強(qiáng)大的機(jī)器人。

竹內(nèi)翔二教授是生物學(xué)和機(jī)械工程交叉領(lǐng)域的先驅(qū)。到目前為止，他的生物混合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)制造出使用生物肌肉組織行走的微型機(jī)器人、3D 打印實(shí)驗(yàn)室培育的肉、可愈合的人造皮膚等。在研究人造皮膚時(shí)，竹內(nèi)翔二覺得有必要進(jìn)一步發(fā)展機(jī)器人皮膚的概念，以改善其特性和能力。

Takeuchi 表示：“在之前研究一種覆蓋著人造皮膚組織的手指形機(jī)器人時(shí)，我感到需要讓機(jī)器人特征與皮膚的皮下結(jié)構(gòu)更好地粘合在一起。通過(guò)模仿人類皮膚韌帶結(jié)構(gòu)，并在固體材料中使用特制的 V 形穿孔，將皮膚粘合到復(fù)雜結(jié)構(gòu)上。皮膚的自然柔韌性和牢固的粘合方法意味著皮膚可以隨著機(jī)器人的機(jī)械部件移動(dòng)而不會(huì)撕裂或剝落�！�

將活體皮膚附著到機(jī)器人上的技術(shù)可以推動(dòng)多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。例如，使用具有自愈能力的活體皮膚可以延長(zhǎng)機(jī)器人的使用壽命并降低維護(hù)成本。更逼真的機(jī)器人可以改善社交和醫(yī)療保健環(huán)境中的互動(dòng)，因?yàn)楸普娴耐庥^至關(guān)重要。


△ 東京大學(xué)教授竹內(nèi)正二

盡管這些突破也帶來(lái)了倫理方面的考慮，例如生物部件的處理和福利以及栩栩如生的機(jī)器人的社會(huì)影響，但生物混合機(jī)器人領(lǐng)域仍在不斷發(fā)展。這類創(chuàng)新可能是彌合生物和機(jī)械系統(tǒng)之間差距的關(guān)鍵，為下一代機(jī)器人發(fā)展鋪平了道路。