東京大學仿生人類手指機器人，實現“皮膚”補水！

盡管現有研究已在皮膚等效物中成功構建灌注通道，然而這些技術主要適配平面二維結構，難以匹配機器人本體復雜的三維曲面形態。此外，多孔支架雖能促進內部營養輸送，但其移植導向的設計初衷導致難以整合關節結構——而關節恰是實現機器人動態運動與靈活性的核心需求。

在生物系統中，血管網絡通過持續輸送養分與水分維持皮膚組織活性（圖1a）。受此啟發，本研究為覆蓋活體皮膚的生物混合機器人設計了雙層皮下支撐結構：培養液經泵送系統注入機器人手指內部的灌注通道，再通過該結構輸送至皮膚組織（圖1b）。該支撐結構由功能互補的兩層組成：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狀結構構成，既為關節運動提供結構強度，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基滲透，并在真皮層下方充當機械緩沖層，模擬體內皮下脂肪的功能。

圖3. 透水凝膠層的力學和結構表征。

骨架層通過鋼絲驅動機構實現關節運動。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。這種結構設計使培養的真皮組織能夠圍繞水凝膠支撐物收縮，長期保持其結構的穩定。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擴散，進一步表明了其在營養輸送方面的有效性（圖4）。與圍繞剛性機器人骨架培養的真皮組織相比，圍繞水凝膠支撐物培養的真皮組織表現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）。

圖5. 帶雙層可滲透皮下支撐的覆皮型機器人手指的制造。

圖6. 內部水化支架防干性能評價。

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