类人机器人的新衣：三维仿生皮肤的设计与制备

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作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“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究院医药所研究员、中科院青年创新促进会会员 童丽萍，就Matter中的论文发表述评。

电视剧《西部世界》（Westworld）为我们讲述了在遥远的将来，一个叫做“西部世界”的游乐园中发生的故事。特别的是，这个游乐园中的接待员全都是类人机器人，即按照人的形态和特征创造、并且可以与人类进行无缝互动的智能机器人。可以想象在未来，这样的类人机器人可能出现在医院、机场、餐厅、加油站等我们生活周边的各种场景中，执行服务人类的任务。类人机器人的建造，不仅需要建立和谐自然的人机交互系统和操作界面，还需要打造与人更为相似和逼真的外形和生理功能，以唤起使用者的亲切感，提高与人类信息交换的效率。因此开发具有逼真色调和人类皮肤纹理的类人皮肤覆盖材料势在必行。除外形的高度仿生外，这些覆盖材料还被寄希望于功能上的仿生，如具有自愈能力，甚至可以进行类似于人类的皮肤移植手术，以适用于不确定的动态任务环境。

▲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究领域一直走在世界前沿。近日，一支来自日本东京大学的研究团队就为类人机器人研发了一款 “活”皮肤。与目前绝大多数人造皮肤基于二维平面片材的制备策略所不同的是，该研究团队按照“真皮层--表皮层”的设计和构建思路，直接在三关节机械手指上立体成型（图2）。首先利用包含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，培养、收缩后得到成熟的类真皮。在此过程中，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缘，不仅可以防止类真皮因为收缩导致的回缩和脱落，还可以利用收缩过程中产生的张力使得类真皮能紧紧贴附在机械手指的表面。随后在所形成的三维类真皮上种植人的表皮角质细胞（human epidermal keratinocytes， NHEKs），促进其沉降和粘附，从而模仿人体皮肤表皮层形成紧密的细胞连接（cell-cell junctions）。需要注意的是，与二维平面上细胞的种植与粘附状态不同，三维立体外表面若想形成致密细胞粘附层，需要从不同角度多次重复上述“种植-沉降-粘附”步骤，并配合PDMS模具使用，以达到防止细胞悬液滑落，最终形成均匀包裹的目的（图2B）。

▲图2 “活”皮肤制备过程示意图

研究人员系统比较了锚定结构的使用、帽形结构的设计以及NHEKs种植的方向与时长对三维“活”皮肤的收缩、各向均一性与表皮层细胞覆盖率的影响。结果表明，锚定结构的使用可以使制备过程中类真皮层的收缩长度减少约一半，帽形结构的设计可以使形成的xx厚度更均匀，而从两个方向旋转和多次种植NHEKs的方式可以显著提高均匀致密表皮层的形成。冰冻切片与染色结果证实表皮层无缝覆盖于真皮层上，并且两层组织均匀分布；针对皮肤功能的电容、电阻测试和保水性测试均证实了功能表皮层的形成。

覆盖在机械手指上的“活”皮肤可紧密贴合在手指上并随之运动，表现出足够的强度和弹性抵抗运动过程中产生的形变（图3A）。由于致密表皮层的存在，“活”皮肤可表现出一定的防水性（图3B）、可擦拭性，并可以帮助机械手指摆脱细小颗粒的静电吸附（图3C），从而可以在更多环境中执行任务。更为有趣的是，该款“活”皮肤还具有损伤愈合的能力：在指背人为制造伤口，覆盖无细胞的胶原蛋白片（collagen sheet），7天培养后可完全愈合伤口，愈合后的伤口可随手指关节运动不开裂（图3D）。机理研究表明“活”皮肤中的NHDF可迁移进入胶原蛋白片，促进伤口愈合，这一行为与人体皮肤发生创伤后细胞迁移的行为极为相似。

▲图3 “活”皮肤的功能展示

该研究的最大亮点工作为：将机械设计（锚定结构、帽状设计）与材料、活细胞共同用于材料制备中，解决了三维类皮肤体外构建时遇到的收缩、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究以及医疗领域，例如深度烧伤等造成的严重创伤后皮肤移植治疗。

论文摘要

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能力。通过复制人类的外表和功能(例如，自愈)，赋予类人机器人与人类建立更加和谐自然的互动能力。因此，在本研究中我们提出一种由细胞和细胞外基质组成，具有类似人皮肤自愈能力的“活”皮肤模型作为机器人的覆盖材料，并开发了一种将“活”皮肤覆盖在三维物体表面的方法，最后制造了一个覆盖类皮肤的三关节机器人手指。此外，受临床使用嫁接水凝胶治疗皮肤深度烧伤的启发，我们将胶原蛋白片移植至受伤“活”皮肤，证实了其具有自愈的能力。基于上述结果，本研究显示了将所开发“活”皮肤作为类人机器人覆盖材料的应用潜力。

Humanoids are robots created with human forms or characteristics; these robots also have the potential to seamlessly interact with human beings. By replicating the appearances and functions (e.g., selfhealing) of human beings, humanoids have the potential to establish more harmonic and natural human-robot interactions. Here, we propose the use of skin equivalent, a living skin model consisting of cells and extracellular matrix, as a human-like and self-healing coverage material for robots. We fabricated a three-joint robotic finger covered with skin equivalent by developing a method to cover three-dimensional objects with skin equivalent. Furthermore, inspired by the medical treatment of deeply burned skin using grafted hydrogels, we demonstrated wound repair of a dermis equivalent covering a robotic finger by culturing the wounded tissue grafted with a collagen sheet. With the above results, this research shows the potential of using skin equivalent as human-like and selfhealing coverage material for robots.

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评述人简介

童丽萍

中国科学院深圳先进技术研究院医药所研究员

中国科学院青年创新促进会会员

lp.tong@siat.ac.cn

童丽萍，生物物理学博士，中国科学院深圳先进技术研究院医药所研究员，主要从事功能性生物医用材料（骨、血管植介入材料）的构建，以及外场物理调控植介入材料的功能。近年来，围绕外界物理因素协同组织工程支架调控骨组织再生开展了系列研究工作。2020年入选中国科学院青年创新促进会。

Liping Tong is a Professor in Institute of Biomedicine and Biotechnology, Shenzhen Institutes of Advanced Technology CAS. She mainly focuses on the construction of biomaterials, like the bone implants and vascular graft, and research on synergetic effects of external physical stimuli and the implants. Dr. Tong was selected as the member of Youth Innovation Promotion Association of CAS in 2020.

中国科学院青年创新促进会（Youth Innovation Promotion Association，Chinese Academy of Sciences）于2011年6月成立，是中科院对青年科技人才进行综合培养的创新举措，旨在通过有效组织和支持，团结、凝聚全院的青年科技工作者，拓宽学术视野，促进相互交流和学科交叉，提升科研活动组织能力，培养造就新一代学术技术带头人。

Youth Innovation Promotion Association (YIPA) was founded in 2011 by the Chinese Academy of Science (CAS). It aims to provide support for excellent young scientists by promoting their academic vision and interdisciplinary research. YIPA has currently more than 4000 members from 109 institutions and across multiple disciplines, including Life Sciences, Earth Science, Chemistry& Material, Mathematics & Physics, and Engineering. They are organized in 6 discipline branches and 13 local branches.

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