机器人皮肤材料扮演着多重角色，尤其是对于需要在不可预测和复杂环境中操作的人形机器人。随着时间的推移，研究人员已经开发出了模仿各种能力（例如，触觉敏感性，自我修复，出汗，人类外观）的各种机器人。与现有的机器人皮肤材料相比，使用培养的活体皮肤有望实现人类皮肤的综合生物功能。

为了在机器人上应用培养的活体皮肤，有必要构建三维的皮肤等效物，而不是传统的二维组织。目前，研究人员已经采用了将皮肤收缩在物体周围的模具技术来创建三维皮肤等效物，这些等效物能够均匀地包裹三维结构。然而，这些方法缺乏将皮肤固定在底层皮下组织的机制，使得皮肤容易在外部力量作用下发生显著变形，从而增加了损伤的风险。目前，如何将活体皮肤安全地附着在底层结构上，仍然是一个挑战。

近期，东京大学Michio Kawai等人开发并表征了一种受皮肤韧带结构启发的穿孔式锚定点方法（图1A），将一种充满细胞的凝胶作为皮肤等效物粘附到机器人表面的技术。为了展示穿孔式锚定点在三维覆盖应用中的多功能性，作者使用穿孔式锚定点将皮肤等效物覆盖在一个具有复杂表面结构的三维面部模具上。此外，作者构建了一个覆盖有真皮等效物的机器人面部，能够通过穿孔式锚定点的驱动表达微笑的表情。这项研究引入了一种使用穿孔式锚定点来粘附和驱动皮肤等效物的方法，有望推动生物复合机器人的发展。该工作以题为“Perforation-type anchors inspired by skin ligament for robotic face covered with living skin”的论文发表在最新一期《 Cell Reports Physical Science》上。该成果被Nature以“Smile! Living skin helps robot make a happy face”为题，作为研究亮点报道。

穿孔式锚定点方法

该研究提出的“穿孔式锚定点”（图1A）的方法，灵感来源于皮肤韧带。这些韧带主要由胶原蛋白和弹性蛋白构成，是将皮肤固定在底层组织中的微小连接组织，使得面部表情和身体动作流畅。通过模仿这种结构，该方法通过消除传统突出锚点的缺点，提供了一种更少限制性的放置方式，并保持了机器人的美学完整性。该方法将充满皮肤形成细胞的凝胶涂在机器人结构中特殊设计的V形孔中（图1B）。

图1. 使用穿孔型锚钉的组织固定方法。

锚固件内胶原渗透的等离子体处理

使用穿孔型锚固件的皮肤固定是通过将胶原凝胶引入锚固件内部来实现的。当胶原凝胶没有穿透穿孔型锚固件的内部时，或者当凝胶化过程中气泡破坏内部组织时，锚定过程可能失败。在不容易接近锚固件的情况下，将凝胶直接引入锚固件的内部变得具有挑战性，这使得锚固件技术不切实际。为了解决这个问题，作者证明了等离子体处理可以使设备具有亲水性，并增强凝胶渗透到锚固件内部。作者最初通过对3D打印设备的表面进行等离子体处理来评估润湿性的改善。图2A和2B显示了在有和没有等离子体处理的情况下装置上胶原接触角的比较，而图2C和2D显示了胶原扩散面积的比较。在未经亲水化处理的样品中，平均胶原接触角为37.9°，胶原面积为18.0mm 2。相反，对于接受血浆处理的样品，胶原接触角减少到15.6°，胶原面积增加到38.2 mm 2。这些结果表明，本研究中采用的等离子体处理成功地改善了器件的润湿性。

为了进一步验证锚固件内部增强的润湿性，作者使用直径为1 mm的锚固件进行了等离子体处理的对比实验。图2E为实验过程。该装置配备有直径为1.0mm的V形锚定孔，并与胶原接触。观察由于毛细管效应引起的液面位置的变化。图2F展示了实验结果，比较了胶原凝胶渗入锚固件内部的速率。观察结果证明了等离子体处理在促进胶原溶液进入锚固件内部具有有效性。

图2. 亲水性处理对穿孔型锚固件增强胶原渗透效果的验证。

穿孔型锚固件预防真皮收缩

为了评估穿孔型锚固件抑制皮肤等效物收缩的能力，作者对不同穿孔直径的真皮等效物进行了收缩测试。图3A显示了收缩试验样品的制造过程。将含有正常人真皮成纤维细胞（NHDF）的胶原凝胶倒入具有穿孔型锚固件的装置中并凝胶化，从而形成真皮等效物。真皮等价物随后培养7天，在此期间观察收缩过程。

图3B显示了在凝胶化后立即、3天后和7天后，没有锚固件的样品和具有3mm锚固件的样本的比较图像。虽然没有锚固件的组织样本的收缩很剧烈，但在具有3mm锚固件的样本中，组织样本的压缩被成功抑制。图3C显示了收缩后真皮等效面积的比较图。在没有锚固件的装置中，真皮当量在7天内收缩高达84.5%，而在锚固件装置中，其收缩率仅限于33.6%（直径为1mm）、26.3%（直径为3mm）和32.2%（直径为5mm）。可以推断，即使是直径为1mm的穿孔型锚固件也可以通过保持组织来防止真皮当量的收缩。与1mm锚固件相比，3mm锚固件表现出更高的抗收缩性，但当锚固件直径增加到5mm时，收缩后的皮肤面积却发生了减小。这种现象可能是因为，在使用5mm的锚固件时，锚固件在设备表面内占据的面积比例变得过大；由于组织向其中心收缩，较大锚固件的内周线更靠近组织中心，并导致较大的收缩距离。

图3. 穿孔型固定组织锚的功能评估。

具有皮肤等效物的3D面部模具

图4展示了在制作过程中覆盖3D面部设备的皮肤等效物的图像。图4Ai展示了覆盖3D面部模具的真皮等效物的培养，图4Aii显示了培养1周后的真皮等效物的图像。图4Aiii表示具有真皮和表皮层的人造皮肤等效物，而图4Aiv显示了没有下模具的3D面部设备。表皮的构造导致了等效皮肤的表面纹理的变化，使其呈现出白色。如图4Bi所示，培养的皮肤组织通过穿孔型锚固件固定在装置上。如图4Bii所示，由于锚固件提供的收缩和固定过程中的张力，皮肤等效物被紧紧固定在装置上，防止其在用力拉动时分离。

图4. 皮肤等效物覆盖面部装置的穿孔型锚固件。

具有真皮等效物的机器人脸

在人脸上，封闭的模拟肌肉，如颧骨大肌，通过保留韧带附着在骨骼上，通过皮肤韧带附着在皮肤上。在表达人类情感时，尤其是在微笑时，这些从嘴角延伸到脸颊的模拟肌肉的收缩会抬高嘴角，通过肌肉泵产生脸颊隆起。受这种通过颧骨大肌驱动产生的微笑动作的启发，作者创建了一个覆盖着等效真皮和硅胶层的机器人脸，该硅胶层通过穿孔型锚连接到滑块上。滑动可以产生硅胶层的变形，从而产生微笑的表情（图5A）。

图5Bi和ii展示了覆盖有等效真皮的机器人脸的微笑表情。通过穿孔型锚固件，外部机械致动器在嘴角拉动硅胶层，使嘴角的真皮等效物升高。脸颊区域皮下组织的隆起也通过拉动的硅胶层的弯曲来再现，使机器人的脸显示出自然的微笑。图5Biii和iv展示了机器人面部从脸颊区域到鼻子区域的真皮等效横截面图像。图5Bv展示了在普通表情和微笑表情期间覆盖机器人面部的真皮横截面形状的比较图。结果表明，微笑表情是通过穿孔型锚定器选择性地使脸颊区域的真皮变形而产生的。这证明了穿孔型锚固件对面部皮肤（如体内面部肌肉）的选择性致动具有潜在的实用性。

图5. 覆盖着真皮等效物的微笑机器人脸展示了通过穿孔型锚固件驱动真皮等效物。

小结

该工作受人类皮肤韧带的启发，设计了一种穿孔式锚定点，能够将组织固定在皮下结构上。这项研究强调了设备表面的亲水化处理，以解决组织渗透到穿孔式锚定点的问题。本研究探讨了穿孔式锚定点尺寸与锚定强度之间的关系。作为组织固定的演示，作者应用了穿孔式锚定点来使用皮肤等效物覆盖三维面部模具。最后，通过穿孔式锚定点开发了一种能够产生微笑表情的机器人面部。

文章链接:
https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.102066

文章来源：高分子科学前沿

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