「以假亂真」的機器人手指,能防水能彎曲還能自我修復

2022年06月13日16:38

  出版於 1968 年,並且之後被改編成電影《銀翼殺手》的著名科幻作品《仿生人會夢見電子羊嗎?》里,但從外觀上基本無法區別人類與仿生人。不僅是它,在許多科幻作品里都有過類似的設想:未來或許會出現與人類在生理上無限接近的機器人。

▲電影《銀翼殺手》劇照,圖片來自:The Guardian
▲電影《銀翼殺手》劇照,圖片來自:The Guardian

  這種類人機器人的開發在這些年間也一直在持續,比如目前有為機器人製造的矽膠皮膚,可以在一定程度上模仿人類的外表,但很難做到像人的皮膚一樣有皺紋等細膩的紋理,並且缺乏皮膚特有的功能。

  但在不久前,東京大學 Shoji Takeuchi 教授的研究團隊開發出了人造皮膚覆蓋的機器人手指。乍一看這根機器人手指,可能會讓人嚇一跳,然後疑惑:‘這確實不是真人的手指嗎?’

▲圖片來自:Shoji Takeuchi
▲圖片來自:Shoji Takeuchi

  如果會有這些反應,其實正說明了它的仿生程度確實很高。實際上,這個皮膚模型上覆蓋的真皮等效物正是由人的活細胞(成纖維細胞、角質形成細胞等)和細胞外基質(ECM)水凝膠(膠原蛋白等)製造的。

  機器人手指要浸入膠原蛋白和人類真皮成纖維細胞溶液中,這兩種主要成分構成皮膚的結締組織,且這種混合物擁有自然收縮的趨勢,手指就像被上了一層‘底漆’,也為人類表皮角質形成細胞提供了基礎。

▲圖片來自:Shoji Takeuchi
▲圖片來自:Shoji Takeuchi

  這個三關節的機器人手指,除了外觀形態與質地十分接近真人皮膚,它的功能也與真人的皮膚類似。比如這個機器人手指像人的手指一樣有防水性,並且表面上形成的水滴也能輕鬆擦掉,這樣就能保護內部的電動馬達等部件不被水影響。

  不僅如此,它還能像人的手指一樣伸直和彎曲。馬達發出的哢噠配上動作和逼真的外觀,讓這個機器人手指看起來更像真的手指一樣。

▲圖片來自:Shoji Takeuchi
▲圖片來自:Shoji Takeuchi

  更重要的是,研究團隊原本就是受到使用水凝膠對深度燒傷皮膚進行醫學治療的啟發,因此覆蓋在機器人手指的真皮等效物還能完成‘自我修復’。

  研究人員在測試中將機器人手指上的皮膚特地割下一小片,然後用膠原蛋白片覆蓋。膠原蛋白片能夠密封傷口,在培養 7 天后,移植的脫細胞膠原片與原本的真皮等效物之間的邊界變得模糊,修復後的手指,膠原片與真皮等效物的粘附強度足以承受機械手指反複彎曲運動產生的拉伸應變。

▲圖片來自:Shoji Takeuchi
▲圖片來自:Shoji Takeuchi

  當然,這種機器人手指的研究在壽命和功能化等方面還有許多需要完善的地方,比如它不能缺少來自循環系統的適當供水和因汗液分泌而局部潤濕,目前只能待在有液體的培養基中。因此在真皮內和真皮下方建立灌注通道以模擬血管來供應水分,以及在皮膚中整合出汗腺體,是未來研究的重要方向。

▲圖片來自:Shoji Takeuchi
▲圖片來自:Shoji Takeuchi

  另外,這種濕培養條件導致電子器件和布線的劣化也要注意。為了進一步提高機器人手指的功能和物理自主性,建立具有可灌注人工血管網絡和生物相容性防水電子設備並存的架構同樣是未來重要的重點,不僅要保持活體皮膚的生存能力,還要能夠整合電子處理器、電機、傳感器、電線、電池、通信模塊等。

▲圖片來自:Shoji Takeuchi
▲圖片來自:Shoji Takeuchi

  不過,這項研究的突破也不可否認。這證明了可以直接在機器人周圍塑造皮膚組織,讓皮膚直接生長在機器人部件上。還讓‘人造皮膚’有了矽膠皮膚沒有的紋理與柔軟質地,以及防水、隨關節彎曲拉伸甚至是自我修復等類似於真人皮膚的外觀與功能。

  根據研究團隊未來的計劃,還想通過加入感覺神經元、毛囊、指甲和汗腺等開發更高級的版本,也想嚐試對更大的結構進行覆蓋。

▲ 圖片來自:Shoji Takeuchi
▲ 圖片來自:Shoji Takeuchi

  值得一提的是,這項研究也許還有一項需要注意。它的研究目的里提到,類人機器人的部分任務需要類似人類的外觀,以提高與人類進行信息交換的效率並喚起人們的喜愛。為了模仿人類的外觀,開發具有逼真的人類皮膚色調和紋理的人形覆蓋材料勢在必行。

  但假以時日,面對類人機器人,尤其是皮膚與真人如此接近的機器人,恐怕也避不開‘恐怖穀理論’。人類或許喜歡像人的機器人,但這麼像的機器人,真的還能讓人喜歡嗎?

  本文來自愛範兒

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