ADVANCED INTELLIGENT SYSTEMS 东京大学仿生人类手指机器人，实现“皮肤”补水！

生物混合机器人通过整合生物材料的独特优势构建系统。伴随三维皮肤制备技术的突破，具有皮肤覆盖的生物混合机器人正成为下一代机器人的重要发展方向。相较于传统机器人的非生物覆盖材料，皮肤覆盖机器人展现出显著优势：其外观高度拟人化，且具备类似生物组织的自修复能力——这些特性是纯机械系统难以企及的。然而，当前技术瓶颈在于其内部缺乏持续的水分与营养供给机制，导致暴露于空气环境时表皮易迅速干燥，严重制约了机器人的长期运行稳定性。
尽管现有研究已在皮肤等效物中成功构建灌注通道，然而这些技术主要适配平面二维结构，难以匹配机器人本体复杂的三维曲面形态。此外，多孔支架虽能促进内部营养输送，但其移植导向的设计初衷导致难以整合关节结构——而关节恰是实现机器人动态运动与灵活性的核心需求。
来自东京大学的研究团队提出一种双层可渗透皮下支撑系统，该系统由多孔骨骼层和聚乙烯醇（PVA）制成的海绵状可渗透水凝胶层构成。通过3D打印技术制造的骨骼层设计有密集穿孔，在保障关节运动所需结构强度的同时允许液体流动。海绵状PVA水凝胶层支撑营养物质渗透，并在真皮层下方发挥机械缓冲作用。实验结果表明，该海绵状PVA水凝胶能有效保持水分并允许营养分子扩散，成功防止培养皮肤组织脱水。该方案为提升覆皮型机器人的运行耐久性提供了有效解决方案，展现了其在动态现实场景中的应用潜力。

相关成果以“Skin-Covered Biohybrid Robotic Finger with Bilayered Permeable Subcutaneous Support for Internal Hydration Supplement”为题发表在国际期刊《ADVANCED INTELLIGENT SYSTEMS》上

在生物系统中，血管网络通过持续输送养分与水分维持皮肤组织活性（图1a）。受此启发，本研究为覆盖活体皮肤的生物混合机器人设计了双层皮下支撑结构：培养液经泵送系统注入机器人手指内部的灌注通道，再通过该结构输送至皮肤组织（图1b）。该支撑结构由功能互补的两层组成：穿孔骨骼层与海绵状水凝胶层。3D打印的穿孔骨骼层由密集穿孔的网状结构构成，既为关节运动提供结构强度，又为液体流动提供路径。而由海绵状PVA水凝胶制成的多孔层可允许培养基渗透，并在真皮层下方充当机械缓冲层，模拟体内皮下脂肪的功能。
图1. 具有穿孔骨骼层和可渗透海绵状水凝胶层的双层皮下支架的概念。
首先，机器骨骼采用空心结构设计，表面设有条形狭缝或大量六边形排列的蜂窝状穿孔。这种结构允许培养基从内部向外流动，便于营养物质输送与代谢废物排出。以蜂窝状穿孔手指为例，其设计细节如图2a、b所示。该骨骼由三部分组成：远端指骨（为便于穿线与固定，进一步分为两部分）、中间指骨和近端指骨。
所有骨骼组件均通过摩方面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术（nanoArch® S140，精度：10μm）制备而成。制备材料采用了摩方HTL光固化树脂，其拉伸强度为71.5MPa，这种更高的拉伸强度弥补了密集穿孔导致的结构完整性损失，确保了线驱关节运动的有效性且无结构损伤。

图2. 穿孔骨骼层及注射器驱动关节运动的设计与制造。

图3. 透水凝胶层的力学和结构表征。
骨架层通过钢丝驱动机构实现关节运动。而水凝胶层采用冻融法制备，并添加海藻酸钠以提高孔隙率。这种结构设计使培养的真皮组织能够围绕水凝胶支撑物收缩，长期保持其结构的稳定。其次，渗透性测试表明，海绵状PVA水凝胶能够保持水分并允许不同分子量的物质扩散，进一步表明了其在营养输送方面的有效性（图4）。与围绕刚性机器人骨架培养的真皮组织相比，围绕水凝胶支撑物培养的真皮组织表现出显著的抗干燥能力，证实了水凝胶在维持组织水分中的作用（图6）。

图4. 双层皮下支架的保水性和渗透性。

图5. 带双层可渗透皮下支撑的覆皮型机器人手指的制造。
图6. 内部水化支架防干性能评价。
总结：本研究提出了一种新型水合补充方法，通过在皮肤组织下方集成双层可渗透皮下支撑结构，用于空气环境中覆皮型机器人手指。海绵状PVA水凝胶层展现出足够的渗透性，可有效防止真皮组织干燥，从而可能增强其在空气中的存活能力。具体而言，本研究为提升覆皮型机器人在暴露空气环境中的耐用性和功能性提供了一种可行方法，对生物混合机器人学及医疗应用的未来发展具有重要意义。
原文链接：https://doi.org/10.1002/aisy.202400871