生物混合機器人通過整合生物材料的獨特優勢構建系統。伴隨三維皮膚制備技術的突破，具有皮膚覆蓋的生物混合機器人正成為下一代機器人的重要發展方向。相較于傳統機器人的非生物覆蓋材料，皮膚覆蓋機器人展現出顯著優勢：其外觀高度擬人化，且具備類似生物組織的自修復能力——這些特性是純機械系統難以企及的。然而，當前技術瓶頸在于其內部缺乏持續的水分與營養供給機制，導致暴露于空氣環境時表皮易迅速干燥，嚴重制約了機器人的長期運行穩定性。
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。
來自東京大學的研究團隊提出一種雙層可滲透皮下支撐系統，該系統由多孔骨骼層和聚乙烯醇（PVA）制成的海綿狀可滲透水凝膠層構成。通過3D打印技術制造的骨骼層設計有密集穿孔，在保障關節運動所需結構強度的同時允許液體流動。海綿狀PVA水凝膠層支撐營養物質滲透，并在真皮層下方發揮機械緩沖作用。實驗結果表明，該海綿狀PVA水凝膠能有效保持水分并允許營養分子擴散，成功防止培養皮膚組織脫水。該方案為提升覆皮型機器人的運行耐久性提供了有效解決方案，展現了其在動態現實場景中的應用潛力。
相關成果以“Skin-Covered Biohybrid Robotic Finger with Bilayered Permeable Subcutaneous Support for Internal Hydration Supplement”為題發表在國際期刊《ADVANCED INTELLIGENT SYSTEMS》上
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1. 具有穿孔骨骼層和可滲透海綿狀水凝膠層的雙層皮下支架的概念。
首先，機器骨骼采用空心結構設計，表面設有條形狹縫或大量六邊形排列的蜂窩狀穿孔。這種結構允許培養基從內部向外流動，便于營養物質輸送與代謝廢物排出。以蜂窩狀穿孔手指為例，其設計細節如圖2a、b所示。該骨骼由三部分組成：遠端指骨（為便于穿線與固定，進一步分為兩部分）、中間指骨和近端指骨。
所有骨骼組件均通過摩方面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術（nanoArch? S140，精度：10μm）制備而成。制備材料采用了摩方HTL光固化樹脂，其拉伸強度為71.5MPa，這種更高的拉伸強度彌補了密集穿孔導致的結構完整性損失，確保了線驅關節運動的有效性且無結構損傷。
圖2. 穿孔骨骼層及注射器驅動關節運動的設計與制造。
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。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。
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。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/aisy.202400871
