具有3D打印面部和活體皮膚的機器人

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器人上的方法。這項技術(shù)涉及 3D 打印，靈感來自人類皮膚韌帶，有望提升機器人逼真的外觀和功能。

機器人皮膚的挑戰(zhàn)

設(shè)計用于與人類互動的機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)材料無法實現(xiàn)這一點，特別是自我修復(fù)和逼真觸覺反饋等功能。使用由活細胞和細胞外基質(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器人身上非常困難。


△ 將皮膚組織與機器人結(jié)合

解決方案

為了應(yīng)對這一挑戰(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)在機器人表面制造的小 V 形孔，用含有皮膚形成細胞的膠原凝膠填充這些孔，為皮膚創(chuàng)造一個牢固的附著力。

錨點由總部位于日本大阪的 Keyence 公司生產(chǎn)的 AGILISTA-3100 高精度 3D 打印機制作而成。該打印機采用材料噴射技術(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 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)過等離子處理。這種處理使設(shè)備更加親水，增強了凝膠在孔內(nèi)擴散和粘附的能力。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。


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

測試方法

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

根據(jù)《Cell Reports Physical Science》（《細胞報告物理科學(xué)》）雜志發(fā)表的一項研究，“經(jīng)過等離子處理的錨具有更好的潤濕性”，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平坦的機器人笑臉相適應(yīng)，皮膚變形而不會限制機器人，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驗室芯片上重現(xiàn)皺紋形成，可用于測試旨在預(yù)防、延緩或改善皺紋形成的新型化妝品和護膚品�！彼�在東京大學(xué)就讀期間曾參與該項目，并于 2022 年與 Takeuchi 一起發(fā)表了論文《Living skin on a robot》（《機器人上的活皮膚》）。Kawai 和其他研究人員創(chuàng)造了一種可控制的機器人手指，上面覆蓋著活體皮膚組織。機器人手指上有活細胞和支持有機材料，可實現(xiàn)理想的形狀和強度，適用于需要輕柔觸感但又需要堅固耐用的應(yīng)用場景。

生物機器人發(fā)展前景


盡管網(wǎng)上許多人都對這種“現(xiàn)實”的進步感到擔(dān)憂，甚至將機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)制人的臉進行比較，但這項創(chuàng)新對生物混合機器人領(lǐng)域具有重要意義。生物混合機器人技術(shù)相對較新，它將生物材料與機器人系統(tǒng)相結(jié)合，創(chuàng)造出更逼真、功能更強大的機器人。

竹內(nèi)翔二教授是生物學(xué)和機械工程交叉領(lǐng)域的先驅(qū)。到目前為止，他的生物混合系統(tǒng)實驗室已經(jīng)制造出使用生物肌肉組織行走的微型機器人、3D 打印實驗室培育的肉、可愈合的人造皮膚等。在研究人造皮膚時，竹內(nèi)翔二覺得有必要進一步發(fā)展機器人皮膚的概念，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器人時，我感到需要讓機器人特征與皮膚的皮下結(jié)構(gòu)更好地粘合在一起。通過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器人的機械部件移動而不會撕裂或剝落�！�

將活體皮膚附著到機器人上的技術(shù)可以推動多個領(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機器人的使用壽命并降低維護成本。更逼真的機器人可以改善社交和醫(yī)療保健環(huán)境中的互動，因為逼真的外觀至關(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器人的社會影響，但生物混合機器人領(lǐng)域仍在不斷發(fā)展。這類創(chuàng)新可能是彌合生物和機械系統(tǒng)之間差距的關(guān)鍵，為下一代機器人發(fā)展鋪平了道路。