研究人员用活体人类皮肤细胞制作出会微笑的机器人面孔

在一项新研究中，东京大学、哈佛大学及国际神经智能研究中心的研究人员联合公布了一项新技术，该技术利用活体人类细胞创造出栩栩如生的机器人皮肤。作为概念验证，研究团队设计了一个小型的机器人面部，能够展现出微笑的表情，而整个面部覆盖着一层粉色的活体组织。

研究人员指出，使用活体皮肤组织作为机器人表皮具有多方面的优势，因为它足够灵活，能够传达情感，并且理论上能够自我修复。“随着机器人的角色不断演变，用于覆盖社交机器人的材料需要展现出类似生命的机能，比如自我修复能力，”研究团队在报告中写道。

这份题为《受皮肤韧带启发的穿孔型锚固件用于覆盖活体皮肤的机器人面部》的研究由Shoji Takeuchi、Michio Kawai、Minghao Nie和Haruka Oda共同撰写，预计将于7月在《Cell Reports Physical Science》期刊上发表。我们通过《新科学家》杂志本周早些时候发布的一篇报道了解到这项研究。

该研究描述了一种创新方法，利用受自然皮肤韧带启发的“穿孔型锚固件”将培养的皮肤附着到机器人表面上。机器人结构中的这些微小V形凹槽允许活体组织渗透并形成稳固的结合，模仿人类皮肤如何附着在深层组织上。

为了展示这种皮肤的能力，研究团队设计了一个手掌大小的机器人面部，能够展现出令人信服的微笑。连接到底座的驱动器使面部能够移动，而活体皮肤也随之伸展。研究人员还用这种工程皮肤覆盖了一个静态的3D打印头部模型。

Takeuchi等人首先通过3D打印技术制作了一个嵌入穿孔型锚固件的树脂底座，然后将含有人类皮肤细胞的胶原蛋白支架混合物涂抹于其上，使活体组织能够生长进入这些锚固点中。

真正的人类皮肤细胞

那么，研究团队使用的是谁的皮肤细胞呢？实际上，市面上可以方便地购买到活体人类皮肤细胞，这些细胞来源于大量匿名的人类捐赠者。

在实验中，研究人员使用了商业化的人类细胞，从PromoCell GmbH公司购得了所谓的正常人真皮成纤维细胞(NHDF)和正常人表皮角质形成细胞(NHEK)。这些细胞是从青少年包皮或成人捐赠者不同皮肤部位分离出来的。

成纤维细胞是一种特殊的结构细胞，参与构成结缔组织。而据PromoCell公司的网站介绍，角质形成细胞是“表皮（皮肤外层）的主要细胞类型，构成了大约90%的表皮细胞”。

获取细胞后，研究人员将它们在特殊的专业生长培养基中进行培养，以形成活体皮肤层。为了维持皮肤细胞的活性，研究人员使用了一种特殊的生长培养基，并添加了少量抗生素以防止细菌滋生。论文中提到，“对于真皮成纤维细胞，使用了成纤维细胞生长培养基（DMEM，添加了10%胎牛血清、1%青霉素-链霉素和70毫克/毫升L-抗坏血酸磷酸镁盐n-水合物）”。而对于表皮角质形成细胞，则采用了“角质形成细胞生长培养基（角质形成细胞生长培养基3套件，添加了1%青霉素-链霉素）”。

研究人员还指出，“对于NHDFs和NHEKs，每两天更换一次培养基。”这种定期更新生长培养基的做法为实验期间维持细胞存活提供了必要的营养。

潜在的应用价值

尽管使用真正的人类皮肤细胞不可避免地引发伦理问题，但研究人员表示，他们的目标是改善人机交流并促进组织工程学的进步。他们希望他们的技术不仅能应用于机器人领域，也能在重建医学、药物测试等领域找到应用。实验者将来可以不必依赖真实的人类受试者，而是通过真实细胞培养出人造皮肤层来进行实验。

除了改进机器人界面之外，研究团队认为他们的技术还可能在化妆品测试中找到应用。随着时间的推移，通过反复激活微笑的机器人面部，他们观察到了类似于人类皱纹的表情纹形成过程。

论文中提到：“这项研究的一个重要下一步是利用这一模型增进我们对皱纹形成机制的理解。此外，将这些知识应用到芯片上重现这些表情，可能在化妆品行业和整形外科手术行业中找到应用。”这意味着，通过模拟人类皮肤的老化过程，研究人员能够更好地测试和开发抗皱产品，同时也能为整形外科手术提供更加精准的练习和研究平台，无需直接在真人身上进行试验。

然而，研究人员警告称，在该技术能够应用于全尺寸人形机器人之前，还需克服重重难关。当前，这种工程皮肤缺乏感知能力，并且需要持续的营养供给，限制了其在开放空气中的寿命。为了解决这些问题，研究人员希望能够纳入新的机制，帮助皮肤在更长时间内存活。

随着不断的完善，活体机器人皮肤可能会创造出不仅是栩栩如生，而是真正意义上具有生命力的机械覆盖物。最终，它们甚至可能活得足够久，见证奥利安肩旁熊熊燃烧的战舰，或是目睹Tannhäuser之门附近黑暗中C射线的闪烁。但我们希望那些瞬间不会如同雨中的泪水，消逝在时光里。