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类人机器人的新衣:三维仿生皮肤的规划与制备
发布时间:2022-06-23 17:53:42 来源:球王会怎么样 浏览次数:4433 [返回]

   

  作为国际领先的全科学范畴学术出版社,细胞出版社特与“中国科学院青年立异促进会”协作开设“青促会述评”专栏,以期增进学术互动,促进国际交流。

  2022年第十九期(总第103期)专栏文章,由来自中国科学院深圳先进技术研讨院医药所研讨员、中科院青年立异促进会会员 童丽萍,就Matter中的论文宣布述评。电视剧《西部国际》(Westworld)为咱们叙述了在悠远的将来,一个叫做“西部国际”的游乐园中产生的故事。特别的是,这个游乐园中的接待员全都是类人机器人,即依照人的形状和特征发明、而且能够与人类进行无缝互动的智能机器人。能够幻想在未来,这样的类人机器人或许出现在医院、机场、餐厅、加油站等咱们日子周边的各种场景中,履行服务人类的使命。类人机器人的制作,不只需求树立谐和天然的人机交互体系和操作界面,还需求打造与人更为相似和传神的外形和生理功用,以引发运用者的亲切感,进步与人类信息交流的功率。因而开发具有传神色谐和人类皮肤纹路的类人皮肤掩盖资料势在必行。除外形的高度仿生外,这些掩盖资料还被寄希望于功用上的仿生,如具有自愈才能,乃至能够进行相似于人类的皮肤移植手术,以适用于不确定的动态使命环境。▲图1 类人机器人

  有“机器人王国”美称的日本在类人机器人研讨范畴一向走在国际前沿。近来,一支来自日本东京大学的研讨团队就为类人机器人研发了一款 “活”皮肤。与现在绝大多数人造皮肤根据二维平面片材的制备战略所不同的是,该研讨团队依照“真皮层--表皮层”的规划和构建思路,直接在三关节机械手指上立体成型(图2)。首要运用包括有人真皮成纤维细胞(human dermal fibroblasts,NHDFs)的胶原溶液倒入预成型的PDMS模具中,培育、缩短后得到老练的类真皮。在此进程中,预先设置在机械手指底座周边的锚定结构(Anchoring Structure,图2A)能固定住类真皮的边际,不只能够避免类真皮因为缩短导致的回缩和掉落,还能够运用缩短进程中产生的张力使得类真皮能紧紧贴附在机械手指的外表。随后在所构成的三维类真皮上栽培人的表皮角质细胞(human epidermal keratinocytes, NHEKs),促进其沉降和粘附,然后仿照人体皮肤表皮层构成严密的细胞衔接(cell-cell junctions)。需求留意的是,与二维平面上细胞的栽培与粘附状况不同,三维立体外外表若想构成细密细胞粘附层,需求从不同视点屡次重复上述“栽培-沉降-粘附”进程,并合作PDMS模具运用,以到达避免细胞悬液滑落,终究构成均匀包裹的意图(图2B)。▲图2 “活”皮肤制备进程示意图

  研讨人员体系比较了锚定结构的运用、帽形结构的规划以及NHEKs栽培的方向与时长对三维“活”皮肤的缩短、各向均一性与表皮层细胞掩盖率的影响。成果标明,锚定结构的运用能够使制备进程中类真皮层的缩短长度削减约一半,帽形结构的规划能够使构成的xx厚度更均匀,而从两个方向旋转和屡次栽培NHEKs的办法能够明显进步均匀细密表皮层的构成。冰冻切片与染色成果证明表皮层无缝掩盖于真皮层上,而且两层安排均匀分布;针对皮肤功用的电容、电阻测验和保水性测验均证明了功用表皮层的构成。

  掩盖在机械手指上的“活”皮肤可严密贴合在手指上并随之运动,表现出满足的强度和弹性抵抗运动进程中产生的形变(图3A)。因为细密表皮层的存在,“活”皮肤可表现出必定的防水性(图3B)、可擦洗性,并能够协助机械手指脱节细微颗粒的静电吸附(图3C),然后能够在更多环境中履行使命。更为风趣的是,该款“活”皮肤还具有损害愈合的才能:在指背人为制作伤口,掩盖无细胞的胶原蛋白片(collagen sheet),7天培育后可彻底愈合伤口,愈合后的伤口可随手指关节运动不开裂(图3D)。机理研讨标明“活”皮肤中的NHDF可搬迁进入胶原蛋白片,促进伤口愈合,这一行为与人体皮肤产生伤口后细胞搬迁的行为极为相似。▲图3 “活”皮肤的功用展现

  该研讨的最大亮点工作为:将机械规划(锚定结构、帽状规划)与资料、活细胞一起用于资料制备中,处理了三维类皮肤体外构建时遇到的缩短、变形、不均匀、与机械手指的贴合度以及自愈等难题。除作为类人机器人的皮肤外,此款活皮肤还可被用于生物学研讨以及医疗范畴,例如深度烧伤等形成的严峻伤口后皮肤移植医治。

  类人机器人是指具有人类外形或特征的智能机器人;这类机器人具有与人类进行无缝互动的潜在才能。经过仿制人类的外表和功用(例如,自愈),赋予类人机器人与人类树立愈加谐和天然的互动才能。因而,在本研讨中咱们提出一种由细胞和细胞外基质组成,具有相似人皮肤自愈才能的“活”皮肤模型作为机器人的掩盖资料,并开发了一种将“活”皮肤掩盖在三维物体外表的办法,最终制作了一个掩盖类皮肤的三关节机器人手指。此外,受临床运用嫁接水凝胶医治皮肤深度烧伤的启示,咱们将胶原蛋白片移植至受伤“活”皮肤,证明了其具有自愈的才能。根据上述成果,本研讨显现了将所开发“活”皮肤作为类人机器人掩盖资料的使用潜力。

  童丽萍,生物物理学博士,中国科学院深圳先进技术研讨院医药所研讨员,首要从事功用性生物医用资料(骨、血管植介入资料)的构建,以及外场物理调控植介入资料的功用。近年来,环绕外界物理要素协同安排工程支架调控骨安排再生展开了系列研讨工作。2020年当选中国科学院青年立异促进会。