東京大學的實驗室里，一根覆蓋著淡黃色皮膚的機器人手指正在緩緩彎曲。這不是硅膠，不是乳膠，而是真正的活體人類皮膚組織。更神奇的是，這層皮膚內部還有一套"血管系統"在源源不斷地輸送營養液。

7天過去了，暴露在空氣中的皮膚依然保持著濕潤和活性。要知道，此前所有的活體皮膚機器人實驗中，皮膚組織在空氣中幾個小時就會干燥死亡。

這是不久前發表在《Advanced Intelligent Systems》期刊上的研究。研究團隊通過模仿人體的血液循環系統，為機器人皮膚設計了一套雙層滲透性皮下支撐結構，成功解決了活體組織機器人最大的技術難題——如何讓皮膚在空氣中長時間存活。

"就像人體皮膚通過血管獲得營養一樣，我們的機器人皮膚也能通過內部的循環系統持續獲得水分和營養。"研究團隊在論文中寫道。這或許意味著，科幻電影中那些擁有真實觸感的機器人，正在一步步成為現實。

▍雙層滲透性皮下支撐：機器人皮膚的"血管系統"

研究團隊的核心創新在于設計了一種雙層滲透性皮下支撐結構。這個結構由兩層組成：一層是密集穿孔的3D打印骨架層，另一層是海綿狀的聚乙烯醇（PVA）水凝膠層。

先說骨架層。不同于以往的實心設計，這次的骨架采用了蜂窩狀的密集穿孔結構。這些孔洞不僅能讓培養液自由流通，還保持了足夠的結構強度來支撐關節運動。研究團隊使用了抗拉強度達71.5 MPa的3D打印樹脂，比之前研究中使用的材料強度提高了近50%。

更妙的是水凝膠層的設計。研究人員在制備PVA水凝膠時加入了海藻酸鈉，經過冷凍-解凍處理后再將海藻酸鈉去除，最終形成了具有海綿狀多孔結構的水凝膠。這層水凝膠不僅能夠滲透培養液，還能像人體的皮下脂肪一樣，為上層的真皮組織提供機械緩沖。

拉伸測試顯示，這種海綿狀PVA水凝膠的斷裂應變達到4.77，遠超過關節彎曲所需的0.54應變值，完全能夠承受機器人手指的運動。同時，其楊氏模量為14.3 kPa，在柔軟性和支撐性之間達到了平衡。

▍注射器驅動的防水關節：讓"血液"和運動共存

要讓機器人手指既能運動又能內部循環培養液，這本身就是個技術難題。研究團隊提出了一個巧妙的"注射器驅動"機制。

具體來說，他們將控制手指運動的尼龍線一端固定在注射器活塞的內側，線穿過注射器筒體與機器人手指相連。這樣一來，通過推拉注射器就能控制手指的彎曲和伸展，而注射器的密封性又很好的解決了防水問題。

實驗中，機器人手指在裝配水凝膠層后仍能實現45-50度的彎曲角度。雖然比裸露骨架的64度有所降低，但這種程度的活動范圍已經足夠滿足大多數應用需求。

更重要的是，這種設計讓培養液能夠在手指內部自由流動。滲透性測試表明，海綿狀PVA水凝膠能夠允許分子量高達150 kD的大分子物質通過，這意味著培養基中的白蛋白（66 kD）甚至纖維蛋白原（260 kD）都能順利到達皮膚組織。

▍7天空氣暴露測試：活體皮膚依然"活著"

研究還包括是對這種皮膚覆蓋機器人手指的實際測試。研究團隊使用人類真皮成纖維細胞（NHDF）構建了真皮層，并在其上培養了表皮層。

在為期7天的灌注培養中，覆蓋在機器人手指上的皮膚組織不僅保持了活性，還表現出了組織收縮的現象——這恰恰證明了細胞的良好活性。更關鍵的是空氣暴露實驗的結果。

研究人員對比了兩種情況：一種是傳統的實心骨架機器人手指，另一種是采用雙層滲透性支撐的機器人手指。在空氣中暴露一天后，使用光學相干斷層掃描（OCT）測量顯示，傳統設計的真皮厚度降至181微米，而新設計的真皮厚度保持在774微米，是前者的4倍多。

這個差異表明真皮組織的變薄會破壞膠原蛋白網絡，改變細胞外環境，最終損害細胞功能。而新設計通過持續的內部補水，有效防止了組織脫水和功能喪失。

實驗還發現，傳統設計在一天內就有5.5克的水分流失（原始細胞懸液體積為9毫升），這意味著大部分水分通過蒸發和靜水壓力流失了。而新設計通過海綿狀水凝膠的保水能力和持續的內部供給，成功維持了組織的水分平衡。

▍這項技術意味著什么：不只是機器人那么簡單

研究團隊還計劃在皮膚中整合神經、毛囊等更復雜的結構，創造更加逼真的機器人模型。

這項研究的意義遠超機器人領域本身。研究團隊在論文中提出，這項技術未來可能應用于定制化皮膚移植——根據患者傷口的具體3D形狀來培養匹配的皮膚組織，避免傳統植皮手術需要從患者身上取皮的痛苦。

在機器人應用方面，具有真實皮膚觸感的機器人在醫療護理、陪伴服務等領域將大有可為。試想一下，當護理機器人擁有溫暖柔軟的觸感，對于需要長期照護的患者來說，這種人性化的接觸可能帶來巨大的心理慰藉。

同時，這種"注射器驅動"的防水設計不僅適用于生物混合機器人，對傳統的線驅動機器人也有借鑒意義。而雙層支撐結構的設計思路，或將為解決軟體機器人的結構與功能矛盾提供新方案。

當然，研究團隊也指出了當前的局限性，比如表皮層的厚度和分化程度還需要進一步優化，大面積3D形狀組織的細胞活性評估方法仍需建立等。但可以確定的是機器與生命的界限正在變得模糊，技術與生物的融合正在創造全新的可能。

或許在不久的將來，當你握住一只溫暖的手時，你需要想一想：這是人類的手，還是擁有活體皮膚的機器人？

參考文獻：

Keisuke Ohta, et al. Skin-Covered Biohybrid Robotic Finger with Bilayered Permeable Subcutaneous Support for Internal Hydration Supplement. Advanced Intelligent Systems, 2025.