以假乱真的机器人手指,能防水能弯曲还能自我修复

标签:机器人
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出版于 1968 年,并且之后被改编成电影《银翼杀手》的著名科幻作品《仿生人会梦见电子羊吗?》里,但从外观上基本无法区别人类与仿生人。不仅是它,在许多科幻作品里都有过类似的设想:未来或许会出现与人类在生理上无限接近的机器人。

▲电影《银翼杀手》剧照,图片来自:The Guardian

这种类人机器人的开发在这些年间也一直在持续,比如目前有为机器人制造的硅胶皮肤,可以在一定程度上模仿人类的外表,但很难做到像人的皮肤一样有皱纹等细腻的纹理,并且缺乏皮肤特有的功能。

但在不久前,东京大学 Shoji Takeuchi 教授的研究团队开发出了人造皮肤覆盖的机器人手指。乍一看这根机器人手指,可能会让人吓一跳,然后疑惑:「这确实不是真人的手指吗?」

▲图片来自:Shoji Takeuchi

如果会有这些反应,其实正说明了它的仿生程度确实很高。实际上,这个皮肤模型上覆盖的真皮等效物正是由人的活细胞(成纤维细胞、角质形成细胞等)和细胞外基质(ECM)水凝胶(胶原蛋白等)制造的。

机器人手指要浸入胶原蛋白和人类真皮成纤维细胞溶液中,这两种主要成分构成皮肤的结缔组织,且这种混合物拥有自然收缩的趋势,手指就像被上了一层「底漆」,也为人类表皮角质形成细胞提供了基础。

▲图片来自:Shoji Takeuchi

这个三关节的机器人手指,除了外观形态与质地十分接近真人皮肤,它的功能也与真人的皮肤类似。比如这个机器人手指像人的手指一样有防水性,并且表面上形成的水滴也能轻松擦掉,这样就能保护内部的电动马达等部件不被水影响。

不仅如此,它还能像人的手指一样伸直和弯曲。马达发出的咔哒配上动作和逼真的外观,让这个机器人手指看起来更像真的手指一样。

▲图片来自:Shoji Takeuchi

更重要的是,研究团队原本就是受到使用水凝胶对深度烧伤皮肤进行医学治疗的启发,因此覆盖在机器人手指的真皮等效物还能完成「自我修复」。

研究人员在测试中将机器人手指上的皮肤特地割下一小片,然后用胶原蛋白片覆盖。胶原蛋白片能够密封伤口,在培养 7 天后,移植的脱细胞胶原片与原本的真皮等效物之间的边界变得模糊,修复后的手指,胶原片与真皮等效物的粘附强度足以承受机械手指反复弯曲运动产生的拉伸应变。

▲图片来自:Shoji Takeuchi

当然,这种机器人手指的研究在寿命和功能化等方面还有许多需要完善的地方,比如它不能缺少来自循环系统的适当供水和因汗液分泌而局部润湿,目前只能待在有液体的培养基中。因此在真皮内和真皮下方建立灌注通道以模拟血管来供应水分,以及在皮肤中整合出汗腺体,是未来研究的重要方向。

▲图片来自:Shoji Takeuchi

另外,这种湿培养条件导致电子器件和布线的劣化也要注意。为了进一步提高机器人手指的功能和物理自主性,建立具有可灌注人工血管网络和生物相容性防水电子设备并存的架构同样是未来重要的重点,不仅要保持活体皮肤的生存能力,还要能够整合电子处理器、电机、传感器、电线、电池、通信模块等。

▲图片来自:Shoji Takeuchi

不过,这项研究的突破也不可否认。这证明了可以直接在机器人周围塑造皮肤组织,让皮肤直接生长在机器人部件上。还让「人造皮肤」有了硅胶皮肤没有的纹理与柔软质地,以及防水、随关节弯曲拉伸甚至是自我修复等类似于真人皮肤的外观与功能。

根据研究团队未来的计划,还想通过加入感觉神经元、毛囊、指甲和汗腺等开发更高级的版本,也想尝试对更大的结构进行覆盖。

▲ 图片来自:Shoji Takeuchi

值得一提的是,这项研究也许还有一项需要注意。它的研究目的里提到,类人机器人的部分任务需要类似人类的外观,以提高与人类进行信息交换的效率并唤起人们的喜爱。为了模仿人类的外观,开发具有逼真的人类皮肤色调和纹理的人形覆盖材料势在必行。

但假以时日,面对类人机器人,尤其是皮肤与真人如此接近的机器人,恐怕也避不开「恐怖谷理论」。人类或许喜欢像人的机器人,但这么像的机器人,真的还能让人喜欢吗?

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