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東京大學(xue)仿(fang)生人類(lei)手(shou)指機(ji)器人，實(shi)現(xian)“皮膚”補(bu)水！

更新(xin)時間(jian)：2025-06-25

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生物混(hun)合(he)機器人通過(guo)整合(he)生物材(cai)料的優勢(shi)構建(jian)系統。伴隨(sui)三(san)維皮膚制備技術的突破，具(ju)有(you)皮膚覆(fu)蓋(gai)的生物混(hun)合(he)機器人正(zheng)成為(wei)下壹(yi)代(dai)機(ji)器人的重要發展(zhan)方向(xiang)。相較(jiao)於傳統機(ji)器人的非(fei)生物覆(fu)蓋(gai)材(cai)料，皮膚覆(fu)蓋(gai)機(ji)器人展(zhan)現(xian)出顯(xian)著優(you)勢：其(qi)外觀高(gao)度擬(ni)人化(hua)，且具備類似(si)生物組(zu)織的自(zi)修復(fu)能(neng)力(li)——這(zhe)些特性是(shi)純(chun)機械系統難(nan)以(yi)企(qi)及的。然(ran)而，當(dang)前(qian)技術瓶(ping)頸(jing)在於(yu)其(qi)內部(bu)缺(que)乏(fa)持續的水分與營養供給機制，導(dao)致(zhi)暴露(lu)於空(kong)氣(qi)環(huan)境時表(biao)皮易迅速幹(gan)燥，嚴(yan)重制約了(le)機器人的長(chang)期(qi)運行(xing)穩定(ding)性。

盡(jin)管(guan)現(xian)有(you)研(yan)究已在皮膚等(deng)效(xiao)物中成功(gong)構建(jian)灌註(zhu)通道，然(ran)而這(zhe)些技術主(zhu)要(yao)適配(pei)平(ping)面二(er)維結(jie)構(gou)，難以(yi)匹配機(ji)器人本(ben)體復(fu)雜(za)的三(san)維曲(qu)面(mian)形態(tai)。此(ci)外，多(duo)孔(kong)支(zhi)架(jia)雖(sui)能(neng)促(cu)進內部(bu)營(ying)養輸(shu)送(song)，但其(qi)移植導(dao)向(xiang)的設計(ji)初衷(zhong)導(dao)致(zhi)難以(yi)整合(he)關(guan)節(jie)結(jie)構——而關(guan)節(jie)恰(qia)是實(shi)現(xian)機器人動(dong)態(tai)運(yun)動與靈(ling)活(huo)性的核心(xin)需求(qiu)。

來(lai)自(zi)東京大學(xue)的研(yan)究團(tuan)隊提(ti)出壹(yi)種雙(shuang)層(ceng)可滲透(tou)皮下支(zhi)撐系(xi)統，該(gai)系(xi)統由(you)多(duo)孔(kong)骨(gu)骼層(ceng)和聚(ju)乙(yi)烯醇（PVA）制成的海(hai)綿狀可滲透(tou)水凝膠層(ceng)構成。通過(guo)3D打(da)印(yin)技術制(zhi)造的骨(gu)骼層(ceng)設計(ji)有(you)密(mi)集穿孔(kong)，在(zai)保障關(guan)節(jie)運(yun)動所(suo)需結(jie)構強度(du)的同時允(yun)許(xu)液(ye)體(ti)流(liu)動(dong)。海(hai)綿狀PVA水凝膠層(ceng)支(zhi)撐營(ying)養物(wu)質滲透(tou)，並(bing)在真皮層(ceng)下方(fang)發揮(hui)機械緩(huan)沖(chong)作(zuo)用。實驗結果表明(ming)，該(gai)海(hai)綿狀PVA水凝膠能(neng)有(you)效(xiao)保持水分並(bing)允許(xu)營養分子(zi)擴散，成功(gong)防止培養皮膚組織脫水。該方(fang)案(an)為(wei)提升(sheng)覆(fu)皮型機(ji)器人的運行(xing)耐(nai)久性提(ti)供了(le)有(you)效(xiao)解決方案(an)，展(zhan)現(xian)了(le)其(qi)在動態(tai)現(xian)實場景(jing)中(zhong)的應用潛力(li)。

相(xiang)關(guan)成果以(yi)“Skin-Covered Biohybrid Robotic Finger with Bilayered Permeable Subcutaneous Support for Internal Hydration Supplement"為(wei)題(ti)發表(biao)在國(guo)際(ji)期(qi)刊《ADVANCED INTELLIGENT SYSTEMS》上

在(zai)生物系(xi)統中(zhong)，血(xue)管(guan)網絡(luo)通過(guo)持續輸送(song)養分與水分維持皮膚組織活(huo)性（圖1a）。受(shou)此啟發(fa)，本(ben)研(yan)究為(wei)覆(fu)蓋(gai)活(huo)體皮膚的生物混(hun)合(he)機器人設(she)計(ji)了(le)雙(shuang)層(ceng)皮下支(zhi)撐結(jie)構(gou)：培養液(ye)經(jing)泵(beng)送(song)系(xi)統註(zhu)入(ru)機器人手(shou)指內(nei)部(bu)的灌註(zhu)通道，再(zai)通過(guo)該(gai)結(jie)構輸(shu)送(song)至(zhi)皮膚組織（圖1b）。該(gai)支(zhi)撐結(jie)構(gou)由功(gong)能(neng)互(hu)補(bu)的兩(liang)層(ceng)組成：穿孔(kong)骨(gu)骼層(ceng)與海(hai)綿狀水凝膠層(ceng)。3D打(da)印(yin)的穿孔(kong)骨(gu)骼層(ceng)由密(mi)集穿孔(kong)的網狀結構構成，既為(wei)關(guan)節(jie)運(yun)動提供結構(gou)強度(du)，又(you)為(wei)液(ye)體(ti)流(liu)動(dong)提供路徑。而由海(hai)綿狀PVA水凝膠制(zhi)成的多(duo)孔(kong)層(ceng)可允(yun)許(xu)培養基滲透(tou)，並(bing)在真皮層(ceng)下方(fang)充當(dang)機(ji)械緩(huan)沖(chong)層(ceng)，模(mo)擬體(ti)內皮下脂肪的功(gong)能(neng)。

圖1. 具(ju)有(you)穿孔(kong)骨(gu)骼層(ceng)和可(ke)滲透(tou)海(hai)綿狀水凝膠層(ceng)的雙(shuang)層(ceng)皮下支(zhi)架(jia)的概(gai)念。

首(shou)先，機(ji)器骨(gu)骼采用空(kong)心(xin)結構(gou)設計(ji)，表面(mian)設有(you)條(tiao)形狹(xia)縫或(huo)大(da)量六(liu)邊形(xing)排列的蜂窩狀穿孔(kong)。這(zhe)種結(jie)構允許(xu)培養基從(cong)內(nei)部(bu)向(xiang)外流(liu)動(dong)，便(bian)於(yu)營(ying)養物(wu)質輸(shu)送(song)與(yu)代(dai)謝(xie)廢物(wu)排出。以(yi)蜂窩狀穿孔(kong)手(shou)指為(wei)例，其(qi)設計(ji)細(xi)節(jie)如圖2a、b所(suo)示(shi)。該骨(gu)骼由(you)三(san)部(bu)分組成：遠端指骨(gu)（為(wei)便(bian)於(yu)穿線與(yu)固(gu)定(ding)，進壹(yi)步分為(wei)兩(liang)部(bu)分）、中間指骨(gu)和(he)近(jin)端指骨(gu)。

所(suo)有(you)骨(gu)骼組(zu)件均通過(guo)摩方面(mian)投(tou)影(ying)微(wei)立(li)體(ti)光刻(ke)（PμSL）3D打(da)印(yin)技術（nanoArch^® S140，精(jing)度(du)：10μm）制備而成。制備材料(liao)采用了(le)摩方HTL光固(gu)化(hua)樹脂(zhi)，其(qi)拉伸強度(du)為(wei)71.5MPa，這(zhe)種更(geng)高(gao)的拉伸強度(du)彌補(bu)了(le)密(mi)集穿孔(kong)導(dao)致(zhi)的結構(gou)完整性損失，確(que)保(bao)了(le)線驅(qu)關(guan)節(jie)運(yun)動的有(you)效(xiao)性且無結(jie)構(gou)損傷(shang)。

圖2. 穿孔(kong)骨(gu)骼層(ceng)及註(zhu)射器驅動(dong)關(guan)節(jie)運(yun)動的設計(ji)與制(zhi)造。

圖3. 透(tou)水凝膠層(ceng)的力(li)學和(he)結(jie)構(gou)表征。

骨(gu)架(jia)層(ceng)通過(guo)鋼(gang)絲驅(qu)動(dong)機(ji)構實現(xian)關(guan)節(jie)運(yun)動。而水凝膠層(ceng)采用凍融(rong)法制(zhi)備，並(bing)添加(jia)海(hai)藻(zao)酸(suan)鈉(na)以(yi)提(ti)高(gao)孔隙(xi)率(lv)。這(zhe)種結(jie)構設計(ji)使培養的真皮組織能(neng)夠圍(wei)繞水凝膠支(zhi)撐物(wu)收(shou)縮，長(chang)期(qi)保持其(qi)結構的穩定(ding)。其(qi)次，滲透(tou)性測(ce)試(shi)表(biao)明，海(hai)綿狀PVA水凝膠能(neng)夠保(bao)持水分並(bing)允許(xu)不同分子(zi)量的物質擴散，進(jin)壹(yi)步表明(ming)了(le)其(qi)在營養輸(shu)送(song)方(fang)面(mian)的有(you)效(xiao)性（圖4）。與(yu)圍(wei)繞剛性機(ji)器人骨(gu)架(jia)培養的真皮組織相比，圍(wei)繞水凝膠支(zhi)撐物(wu)培養的真皮組織表現(xian)出顯(xian)著的抗幹(gan)燥能(neng)力(li)，證實(shi)了(le)水凝膠在(zai)維持組織水分中的作(zuo)用（圖6）。

圖4. 雙(shuang)層(ceng)皮下支(zhi)架(jia)的保水性和(he)滲透(tou)性。

圖5. 帶(dai)雙(shuang)層(ceng)可滲透(tou)皮下支(zhi)撐的覆(fu)皮型機(ji)器人手(shou)指的制造(zao)。

圖6. 內(nei)部(bu)水化(hua)支(zhi)架(jia)防幹(gan)性能(neng)評(ping)價。

總結(jie)：本(ben)研(yan)究提(ti)出(chu)了(le)壹(yi)種新型水合(he)補(bu)充方(fang)法(fa)，通過(guo)在(zai)皮膚組織下方(fang)集成雙(shuang)層(ceng)可滲透(tou)皮下支(zhi)撐結(jie)構(gou)，用於空(kong)氣(qi)環(huan)境中(zhong)覆(fu)皮型機(ji)器人手(shou)指。海(hai)綿狀PVA水凝膠層(ceng)展(zhan)現(xian)出足夠(gou)的滲透(tou)性，可(ke)有(you)效(xiao)防止真皮組織幹(gan)燥，從(cong)而可能(neng)增強其(qi)在空(kong)氣(qi)中(zhong)的存(cun)活(huo)能(neng)力(li)。具體(ti)而言(yan)，本(ben)研(yan)究為(wei)提升(sheng)覆(fu)皮型機(ji)器人在(zai)暴露(lu)空(kong)氣(qi)環(huan)境中(zhong)的耐(nai)用性和(he)功(gong)能(neng)性提(ti)供了(le)壹(yi)種可行(xing)方法(fa)，對生物混(hun)合(he)機器人學(xue)及醫(yi)療(liao)應(ying)用的未(wei)來(lai)發展(zhan)具有(you)重要意義。