Nowa technika mocowania skóry do robotów to wielki przełom, ponieważ poprzednie próby nie udawały się z powodu stosowanych metod, jak np. używanie mini haczyków i kotwic, co powodowało uszkodzenia podczas ruchu maszyny. Aby pokonać tę przeszkodę, zespół naukowców z Uniwersytetu Tokijskiego zaczerpnął inspirację z ludzkiego ciała.

– Naśladując struktury tkankowe ludzkiej skóry oraz stosując specjalnie wykonane perforacje w kształcie litery V w solidnych materiałach, znaleźliśmy sposób na połączenie skóry ze złożonymi strukturami – wyjaśnia główny badacz, profesor Shoji Takeuchi z Uniwersytetu Tokijskiego.

Takeuchi jest pionierem w dziedzinie robotyki biohybrydowej, na styku biologii i inżynierii mechanicznej. Jak dotąd jego laboratorium, Biohybrid Systems Laboratory, stworzyło miniroboty, które chodzą, wykorzystując biologiczną tkankę mięśniową, mięso wyhodowane w laboratorium wydrukowane w 3D, sztuczną skórę, która może się samoleczyć i nie tylko. To właśnie podczas badań nad tym ostatnim poczuł potrzebę dalszego rozwoju koncepcji robotycznej skóry, aby ulepszyć jej właściwości i możliwości.

– Podczas poprzednich badań nad robotem w kształcie palca pokrytym sztuczną tkanką skórną, którą wyhodowaliśmy w naszym laboratorium, chciałem, by jego elementy bardziej przylegały do głębszej struktury skóry i tak narodziła się kolejna innowacja – tłumaczy.

W badaniu opublikowanym w czasopiśmie „Cell Reports Physical Science” japońscy naukowcy szczegółowo opisali, w jaki sposób udało im się przymocować skórę do trójwymiarowej formy robota i wygenerować na jej podstawie efekt, o który im chodziło.

U ludzi i wielu zwierząt skóra jest połączona z leżącymi pod nią strukturami za pomocą więzadeł – maleńkich lin z elastycznego kolagenu i elastyny, które utrzymują ją na miejscu i nadają jej niesamowitą siłę i elastyczność. Aby to odtworzyć, naukowcy w „twarzy” robota o szerokości kilku centymetrów, która poruszana jest za pomocą prętów połączonych z podstawą (stąd wrażenie uśmiechania się), wywiercili wiele małych otworów i nałożyli na nią żel zawierający kolagen, następnie warstwę sztucznej skóry. Skórę wyhodowali w laboratorium przy użyciu żywych komórek człowieka – jest nie tylko miękka jak prawdziwa skóra, ale także potrafi się zregenerować w przypadku skaleczenia.

Właśnie zastosowanie specjalnego żelu kolagenowego zapewniającego przyczepność, który jest z natury lepki i trudno mu przedostać się przez maleńkie perforacje, polegała cała sztuczka zastosowana przez badaczy z Tokio. W całym procesie pomogła technika adhezji plastycznej, zwana obróbką plazmową, dzięki której udało im się wciągnąć kolagen w drobne struktury perforacji, jednocześnie utrzymując skórę blisko powierzchni. Krótko mówiąc, żel zatkał otwory i bezpiecznie połączył naskórek z robotem.

– Manipulowanie miękkimi, wilgotnymi tkankami biologicznymi podczas takiego procesu jest znacznie trudniejsze, niż mogłoby się wydawać osobom spoza tej dziedziny. Na przykład, jeśli nie zostanie zachowana sterylność, bakterie mogą przedostać się do tkanki i skóra może umrzeć – dodaje Takeuchi.

Jednak teraz, gdy potrafimy już to zrobić, żywa skóra może zapewnić robotom szereg nowych umiejętności. Naturalna elastyczność takiej skóry i nowa metoda przylegania oznaczają, że skóra może poruszać. Ale co najważniejsze, naskórek może się regenerować. – Samoleczenie to wielka sprawa – deklaruje profesor z University of Tokyo. – Niektóre materiały chemiczne można wytworzyć, aby same się leczyły, ale wymagają czynników wyzwalających, takich jak ciepło, ciśnienie lub inne sygnały, jednak nie rozmnażają się jak komórki. Zaś nasza skóra biologiczna naprawia drobne skaleczenia tak jak ludzka, a to oznacza, że skóra rusza się wraz z mechanicznymi elementami robota, nie rozrywając się ani nie odklejając.

Jego zdaniem, ten udany eksperyment toruje także drogę do stworzenia przekonująco realistycznych, chodzących humanoidów, które będą się uśmiechać, będą mieć mimikę twarzy i będą czuć dotyk. – Kolejnym ważnym wyzwaniem jest stworzenie ludzkiej ekspresji poprzez integrację wyrafinowanych siłowników, czyli mięśni, oraz czujników, czyli nerwów, wewnątrz robota – dodaje.

W tym badaniu udało nam się w pewnym stopniu odtworzyć ludzki wygląd, tworząc twarz o tym samym materiale i strukturze powierzchni, jak mają ludzie – zauważa Takeuchi. Jednak nie miało to na celu udowodnienia pewnej tezy, ale pomóc w kilku obszarach badań medycznych.

Technologia ta mogłaby potencjalnie przyczynić się do badań nad starzeniem się skóry, postępem w kosmetyce i udoskonaleniem procedur chirurgicznych (np. pomóc w szkoleniu chirurgów), w tym chirurgii plastycznej. W ramach eksperymentu naukowcy sprawili bowiem, że „twarz” robota uśmiechała się przez miesiąc, co pozwoli teraz na odtworzenie powstawania zmarszczek mimicznych na skórze, a w efekcie końcowym znaleźć sposób na ich usuwanie, bądź nawet ich nie powstawanie. Na razie celem są kosmetyki i produkty do pielęgnacji skóry, których zadaniem jest zapobieganie robieniu się zmarszczek, opóźnianie ich lub poprawianie stanu skóry – technologia posłuży do testowania nowych receptur.

Naukowcy twierdzą, że minie jeszcze wiele lat testów, zanim stanie się to codziennością. Skórze stworzonej przez laboratorium Uniwersytetu Tokijskiego nadal brakuje niektórych funkcji i trwałości prawdziwej skóry. – Brak funkcji sensorycznych i brak naczyń krwionośnych dostarczających składniki odżywcze i wilgoć oznacza, że ​​nie może on długo przetrwać w powietrzu. Aby rozwiązać te problemy, obecnym wyzwaniem jest włączenie mechanizmów neuronowych i kanałów perfuzyjnych (u człowieka przepuszczających krew – przyp.red.) do tkanki skóry – mówi magazynowi „New Scientist” Michio Kawai z Uniwersytetu Harvarda.

Na razie profesor Takeuchi i jego zespół skupią się na stworzeniu ludzkiej ekspresji u robotów. Chodzi więc o skórę, na której będą się tworzyć zmarszczki i grubszy naskórek. – Wierzymy, że grubszą i bardziej realistyczną skórę można osiągnąć poprzez włączenie gruczołów potowych, łojowych, porów, naczyń krwionośnych, tłuszczu i nerwów – wylicza naukowiec. – Tworzenie robotów, które potrafią się same leczyć, dokładniej wyczuwać otoczenie i wykonywać zadania z ludzką zręcznością, jest niezwykle motywujące – podsumował.﹡