Japońscy naukowcy opracowali niezwykle realistyczną skórę dla robotów. Zaprojektowana tkanka składa się z hodowanych w laboratorium ludzkich komórek skóry i zawiera odpowiednik więzadeł, które utrzymują ją w odpowiednim położeniu. Potrafi również sama się naprawić, podobnie jak goi się ludzka skóra.
Żywy model skóry złożony z komórek, macierzy pozakomórkowej i silikonu, ma potencjał, aby stać się idealnym materiałem do pokrywania nim robotów, czyniąc je bardziej realistycznymi. Tkankę opracował zespół naukowców pod kierunkiem profesora Shoji Takeuchiego z Uniwersytetu Tokijskiego. To nie są ich pierwsze prace nad realistycznymi powłokami dla robotów. Przed dwoma laty ten sam zespół opracował substancję składającą się z ludzkich komórek skóry, którą pokryli zdalnie sterowany palec robota (więcej na ten temat w tekście: Naukowcy zbudowali sztuczny palec pokryty skórą z ludzkich komórek). Czerpiąc inspirację z więzadeł ludzkiej skóry, uczeni znaleźli też sposób na połączenie zaprojektowanej tkanki skórnej ze szkieletem robota. Badanie te mogą być przydatne dla przemysłu kosmetycznego i pomóc w szkoleniu chirurgów plastycznych.
Opis oraz rezultaty badań ukazały się na łamach pisma „Cell Reports Physical Science” (DOI: 10.1016/j.xcrp.2024.102066).
Nowa skóra dla robotów
Opracowana żywa tkanka to mieszanka ludzkich komórek skóry wyhodowanych w rusztowaniu kolagenowym i umieszczonych na wierzchu drukowanej w technologii 3D żywicy, która odgrywa rolę szkieletu. W przeciwieństwie do poprzednich podobnych eksperymentów, skóra zawiera również odpowiednik więzadeł, nazwanych przez uczonych „kotwicami typu perforacyjnego”. Perforacje wykonane na twarzy robota pozwalają warstwie skóry zakotwiczyć się w nich i ustabilizować się, co pomaga utrzymać powłokę robota w odpowiednim miejscu, zachowując jednocześnie gładką i elastyczną powierzchnię.
Technika mocowania skóry wykonanej z żywych ludzkich komórek do szkieletu robota może dać robotom możliwość wyrażania emocji. Może to prowadzić do lepszej, bardziej realistycznej komunikacji, co z kolei może zmienić podejście do humanoidalnych robotów nią pokrytych i uczynić je nie do odróżnienia na pierwszy rzut oka od człowieka.
– Podczas poprzednich badań nad robotem w kształcie palca pokrytym zmodyfikowaną tkanką skórną, którą wyhodowaliśmy w naszym laboratorium, uznałem, że należy ulepszyć przyczepność między robotem o strukturą skóry – powiedział Takeuchi. – Poprzez naśladowanie struktur ludzkiej skóry i więzadeł oraz poprzez użycie specjalnie wykonanych perforacji w kształcie litery „V” w materiałach stałych, znaleźliśmy sposób na wiązanie skóry ze złożonymi strukturami. Naturalna elastyczność skóry i dobra przyczepność oznaczają, że skóra może poruszać się wraz z mechanicznymi komponentami robota bez rozrywania lub odklejania się – dodał.
Uśmiechnięta twarz robota
Naukowcy sprawdzili, jak zachowuje się ich skóra. Połączyli opracowaną powłokę z twarzą robota. Między skórą a szkieletem umieścili cienką warstwę silikonu, która pozwala „ślizgać” się żywej tkance i odtworzyli sposób, w jaki skóra zmienia się, gdy człowiek się uśmiecha. Dzięki nowemu sposobowi mocowania, skóra mogła bezproblemowo dopasować się do trójwymiarowego modelu twarzy, bez żadnych wystających śrubek lub haczyków.
Poprzednie metody mocowania tkanki skórnej do powierzchni stałych obejmowały miniaturowe kotwice lub haczyki, ale ograniczały one rodzaje powierzchni, do której mogły zostać przymocowane i mogły powodować uszkodzenia podczas ruchu. Nowa metoda mocowania powłoki za pomocą malutkich perforacji wykonywanych w materiale bazowym sprawia, że na każdy kształt można nałożyć skórę. Uczeni wspomogli się też specjalnym żelem kolagenowym do adhezji, który jest naturalnie lepki. Udało im się go wtłoczyć do malutkich perforacji.
– Manipulowanie miękkimi, wilgotnymi tkankami biologicznymi podczas procesu rozwoju jest o wiele trudniejsze, niż mogłoby się wydawać osobom spoza tej dziedziny. Na przykład, jeśli nie zachowa się sterylności, bakterie mogą dostać się do środka i tkanka obumrze. Jednak teraz, gdy potrafimy to zrobić, żywa skóra może zapewnić robotom szereg nowych zdolności. Samonaprawa to wielka sprawa. Niektóre syntetyczne materiały można skłonić, by same się naprawiały, ale wymagają one czynników wyzwalających, takich jak ciepło czy ciśnienie i nie rozmnażają się jak komórki. Biologiczna skóra naprawia drobne skaleczenia, tak jak nasza – powiedział Takeuchi.
Zastosowania
Opracowana przez zespół skóra może znaleźć zastosowanie w kilku obszarach badań medycznych. Wynalazek może być przydatny w badaniach nad starzeniem się skóry, kosmetykami, zabiegami chirurgicznymi, chirurgią plastyczną i nie tylko. Ponadto, w powłoce można osadzić różne czujniki, które nadadzą jej nowe możliwości.
– Dzięki tym badaniom zidentyfikowaliśmy nowe wyzwania, takie jak konieczność występowania zmarszczek powierzchniowych i grubszego naskórka, aby uzyskać bardziej ludzki wygląd. Wierzymy, że stworzenie grubszej i bardziej realistycznej skóry można osiągnąć poprzez włączenie gruczołów potowych, gruczołów łojowych, porów, naczyń krwionośnych, tłuszczu i nerwów. Oczywiście ruch jest również kluczowym czynnikiem, więc kolejnym ważnym wyzwaniem jest tworzenie ludzkich ekspresji twarzy poprzez integrację wyrafinowanych siłowników, odgrywających rolę mięśni, wewnątrz robota. Tworzenie robotów, których powłoka może sama się naprawiać, dokładniej wyczuwać otoczenie i wykonywać zadania z ludzką zręcznością, jest niesamowicie motywujące – przyznał Takeuchi.
Jednak roboty z taką skórą to melodia przyszłości. Przed naukowcami jeszcze wiele pracy. – Po pierwsze, musimy zwiększyć trwałość i długowieczność hodowanej skóry, w szczególności poprzez zajęcie się kwestiami związanymi z dostarczaniem składników odżywczych i wilgoci. Może to obejmować opracowanie zintegrowanych naczyń krwionośnych lub innych systemów. Po drugie, kluczowe jest ulepszenie wytrzymałości mechanicznej skóry, aby odpowiadała naturalnej skórze ludzkiej. Wiąże się to z optymalizacją struktury kolagenu i jego stężenia w hodowanej skórze – zaznaczył Takeuchi.
Takeuchi zauważył również, że aby być naprawdę funkcjonalną, taka skóra będzie musiała ostatecznie przekazywać informacje sensoryczne, takie jak temperatura i dotyk, każdemu robotowi, który ją nosi, a także być odporna na zanieczyszczenia biologiczne.
Źródło: University of Tokyo, Live Science, New Scientist, fot. Takeuchi et al./ Institute of Industrial Science (IIS), University of Tokyo/ CC-BY-ND
