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東京大學(xué)仿生人類手指機(jī)器人,實現(xiàn)“皮膚”補(bǔ)水!

更新時間:2025-06-25點擊次數(shù):511
生物混合機(jī)器人通過整合生物材料的優(yōu)勢構(gòu)建系統(tǒng)。伴隨三維皮膚制備技術(shù)的突破,具有皮膚覆蓋的生物混合機(jī)器人正成為下一代機(jī)器人的重要發(fā)展方向。相較于傳統(tǒng)機(jī)器人的非生物覆蓋材料,皮膚覆蓋機(jī)器人展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢:其外觀高度擬人化,且具備類似生物組織的自修復(fù)能力——這些特性是純機(jī)械系統(tǒng)難以企及的。然而,當(dāng)前技術(shù)瓶頸在于其內(nèi)部缺乏持續(xù)的水分與營養(yǎng)供給機(jī)制,導(dǎo)致暴露于空氣環(huán)境時表皮易迅速干燥,嚴(yán)重制約了機(jī)器人的長期運(yùn)行穩(wěn)定性。


盡管現(xiàn)有研究已在皮膚等效物中成功構(gòu)建灌注通道,然而這些技術(shù)主要適配平面二維結(jié)構(gòu),難以匹配機(jī)器人本體復(fù)雜的三維曲面形態(tài)。此外,多孔支架雖能促進(jìn)內(nèi)部營養(yǎng)輸送,但其移植導(dǎo)向的設(shè)計初衷導(dǎo)致難以整合關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)——而關(guān)節(jié)恰是實現(xiàn)機(jī)器人動態(tài)運(yùn)動與靈活性的核心需求。



來自東京大學(xué)的研究團(tuán)隊提出一種雙層可滲透皮下支撐系統(tǒng),該系統(tǒng)由多孔骨骼層和聚乙烯醇(PVA)制成的海綿狀可滲透水凝膠層構(gòu)成。通過3D打印技術(shù)制造的骨骼層設(shè)計有密集穿孔,在保障關(guān)節(jié)運(yùn)動所需結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時允許液體流動。海綿狀PVA水凝膠層支撐營養(yǎng)物質(zhì)滲透,并在真皮層下方發(fā)揮機(jī)械緩沖作用。實驗結(jié)果表明,該海綿狀PVA水凝膠能有效保持水分并允許營養(yǎng)分子擴(kuò)散,成功防止培養(yǎng)皮膚組織脫水。該方案為提升覆皮型機(jī)器人的運(yùn)行耐久性提供了有效解決方案,展現(xiàn)了其在動態(tài)現(xiàn)實場景中的應(yīng)用潛力。

相關(guān)成果以“Skin-Covered Biohybrid Robotic Finger with Bilayered Permeable Subcutaneous Support for Internal Hydration Supplement"為題發(fā)表在國際期刊《ADVANCED INTELLIGENT SYSTEMS

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在生物系統(tǒng)中,血管網(wǎng)絡(luò)通過持續(xù)輸送養(yǎng)分與水分維持皮膚組織活性(圖1a)。受此啟發(fā),本研究為覆蓋活體皮膚的生物混合機(jī)器人設(shè)計了雙層皮下支撐結(jié)構(gòu):培養(yǎng)液經(jīng)泵送系統(tǒng)注入機(jī)器人手指內(nèi)部的灌注通道,再通過該結(jié)構(gòu)輸送至皮膚組織(圖1b)。該支撐結(jié)構(gòu)由功能互補(bǔ)的兩層組成:穿孔骨骼層與海綿狀水凝膠層。3D打印的穿孔骨骼層由密集穿孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成,既為關(guān)節(jié)運(yùn)動提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,又為液體流動提供路徑。而由海綿狀PVA水凝膠制成的多孔層可允許培養(yǎng)基滲透,并在真皮層下方充當(dāng)機(jī)械緩沖層,模擬體內(nèi)皮下脂肪的功能。



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圖1. 具有穿孔骨骼層和可滲透海綿狀水凝膠層的雙層皮下支架的概念。

首先,機(jī)器骨骼采用空心結(jié)構(gòu)設(shè)計,表面設(shè)有條形狹縫或大量六邊形排列的蜂窩狀穿孔。這種結(jié)構(gòu)允許培養(yǎng)基從內(nèi)部向外流動,便于營養(yǎng)物質(zhì)輸送與代謝廢物排出。以蜂窩狀穿孔手指為例,其設(shè)計細(xì)節(jié)如圖2a、b所示。該骨骼由三部分組成:遠(yuǎn)端指骨(為便于穿線與固定,進(jìn)一步分為兩部分)、中間指骨和近端指骨。

所有骨骼組件均通過摩方面投影微立體光刻(PμSL)3D打印技術(shù)(nanoArch® S140,精度:10μm)制備而成。制備材料采用了摩方HTL光固化樹脂,其拉伸強(qiáng)度為71.5MPa,這種更高的拉伸強(qiáng)度彌補(bǔ)了密集穿孔導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)完整性損失,確保了線驅(qū)關(guān)節(jié)運(yùn)動的有效性且無結(jié)構(gòu)損傷。

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圖2. 穿孔骨骼層及注射器驅(qū)動關(guān)節(jié)運(yùn)動的設(shè)計與制造。

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圖3. 透水凝膠層的力學(xué)和結(jié)構(gòu)表征。


骨架層通過鋼絲驅(qū)動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)關(guān)節(jié)運(yùn)動。而水凝膠層采用凍融法制備,并添加海藻酸鈉以提高孔隙率。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計使培養(yǎng)的真皮組織能夠圍繞水凝膠支撐物收縮,長期保持其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。其次,滲透性測試表明,海綿狀PVA水凝膠能夠保持水分并允許不同分子量的物質(zhì)擴(kuò)散,進(jìn)一步表明了其在營養(yǎng)輸送方面的有效性(圖4)。與圍繞剛性機(jī)器人骨架培養(yǎng)的真皮組織相比,圍繞水凝膠支撐物培養(yǎng)的真皮組織表現(xiàn)出顯著的抗干燥能力,證實了水凝膠在維持組織水分中的作用(圖6)。



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圖4. 雙層皮下支架的保水性和滲透性。


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圖5. 帶雙層可滲透皮下支撐的覆皮型機(jī)器人手指的制造。



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圖6. 內(nèi)部水化支架防干性能評價。




總結(jié):本研究提出了一種新型水合補(bǔ)充方法,通過在皮膚組織下方集成雙層可滲透皮下支撐結(jié)構(gòu),用于空氣環(huán)境中覆皮型機(jī)器人手指。海綿狀PVA水凝膠層展現(xiàn)出足夠的滲透性,可有效防止真皮組織干燥,從而可能增強(qiáng)其在空氣中的存活能力。具體而言,本研究為提升覆皮型機(jī)器人在暴露空氣環(huán)境中的耐用性和功能性提供了一種可行方法,對生物混合機(jī)器人學(xué)及醫(yī)療應(yīng)用的未來發(fā)展具有重要意義。


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