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好讀周報/機器手指長出皮膚 日本成功開發創下全球先例

機器手指外層的皮膚在活動期間也不會撕裂破損。(圖/Delfi)
機器手指外層的皮膚在活動期間也不會撕裂破損。(圖/Delfi)

文/陳韻涵

日本東京大學資工研究所知能機械學(Mechano-Informatics)科學研究團隊10日宣布,成功開發出覆蓋人類肌膚的機械手指,創下全球先例。

東京大學資工專精生化機械(Biomechanics)教授竹內昌治(Shoji Takeuchi)領導科研團隊,利用人體皮膚細胞培植「活體皮膚」,讓浸泡在培養液中的皮膚細胞自行生長並附著到機械手指外圍,打造全球第一個擁有活體皮膚且具癒合功能的機械手。這項研究成果9日發表於美國科學期刊《Matter》線上版。

竹內昌治表示,「我們的機械手指皮膚模型並不是先培養好完整的皮膚,再包到機械手指外側,而是直接在機械手指上長出來。就是因為這樣,這層皮膚附著的更完整且牢固。」

●培養皮膚層 再做表皮層

在東京大學的研究發表前,仿生機器人大多以矽膠(silicone rubber)包覆機械外殼,做出模擬人類膚質的效果。然而,竹內昌治及其研究團隊將機械手指附以真皮組織,浸入充滿「人體真皮纖維母細胞」(Normal Human Dermal Fibroblasts)的容器中,人體真皮纖維母細胞含有人類肌膚細胞和許多膠原蛋白(collagen),而膠原蛋白會在機械手指外側凝膠化,隨著真皮組織收縮而形成貼合機器手指的培養皮膚層。皮膚層做好之後,再倒入含有人類角質(keratinocyte)細胞的培養液,培植皮膚表層的表皮細胞,製作出表皮層(epidermis);經過兩個星期之後,表皮層的厚度就會達到數釐米。

●若有小傷口 能自行癒合

這個實驗室培植出的皮膚柔韌且具延展性,足以讓有3個關節、以馬達驅動中心金屬線軸的機械手指彎折,達到關節運動的效果且不至於破壞成形的活體培植皮膚。此外,這塊皮膚若有小傷口也能自行癒合。研究人員在機械手指的皮膚上以銳器劃出一道小傷口,隨後以覆蓋膠原蛋白繃帶的方式,幫助皮膚的纖維母細胞(fibroblast)彌合,結果這個小傷口在一個星期之內便修復。重新長好新皮膚的機械手指,不僅可以再度活動,也能再次進行關節運動。

目前許多機器人以矽膠包覆機械外層,且為了達到擬真效果,機器人與人體接觸的表層會做得相對薄透與柔軟,但也增加該肌膚磨損的可能性與風險。一旦機器人的矽膠肌膚受損,又得花錢修復,所費不貲。反觀東京大學開發的實驗室培植皮膚具備修護能力,未來機器人可望自行療癒,節省人力、時間與成本開銷。

●仿生愈逼真 醫療用處多

竹內昌治團隊希望,有朝一日能夠打造看似真人的機器人。團隊認為,超級逼真的仿生機器人能在打造義肢、移植手術、外科整形、醫學美容及醫療照護等醫學領域,或是化妝品等服務產業,進一步協助有需要的患者及對象,並與人類更密切地互動。比起過往的矽膠材質,活體皮膚或許能做到傳遞感覺和溫度等與人體肌膚相似的效能。

●看成果/仿生跨大步 離開實驗室尚早

美國麻省理工學院工程師瑞圖‧拉曼(Ritu Raman)精通打造具有活體組織的機器人,她認為東京大學的研究是「非常有趣的成果,且在仿生領域跨出重要的一大步」。

拉曼表示,「生化材質吸引人之處在於它們可以有動態知覺且能適應使用環境。」她舉例說明,預見未來會出現具備活體皮膚和神經細胞的機器人,讓機器人可以更明確的感知周遭環境。

然而,就現階段而言,活體皮膚還不能離開實驗室的絕佳環境與條件太久。竹內昌治說:「該皮膚目前還無法在沒有培養液的情況下,長時間保存完好的樣態。研究團隊將進一步改進與精進,未來還希望透過類似技術複製皮膚的感覺細胞(sensory cell)、毛囊與汗腺,並讓這種皮膚在更大型的機器結構外生長。」

●新發展/可模擬痛感 機器手掌知疼痛

英國格拉斯哥大學仿生機器人研究團隊已經打造出可以感覺到疼痛的機器人,這都要感謝「電子皮膚」模擬不舒服的痛感。

格拉斯哥研究團隊研發一隻有智慧皮膚的機械手掌,它有顯著的學習能力且能對外來刺激做出反應,例如刺痛它的手掌就有反應等。

該團隊根據「突觸晶體管」(synaptic transistors)打造新型處理系統,模擬大腦神經迴路,讓該機器學習感覺疼痛的感覺。突觸晶體管是一種機器學習的電子設備,可以透過類似神經突觸的方式模仿神經元的行為並學習。

格拉斯哥研究團隊表示,這個新處理系統的靈感來自人類皮膚的末梢神經系統,研究人員做出168個突觸晶體管,這些突觸晶體管以氧化奈米線連到機器手掌。該手掌上有許多皮膚感測器,和具有彈性的塑膠皮膚表層,感測器透過研究人員觸碰機械手掌的電流變化來感受「觸覺」。

●看問題/恐怖谷現象 愈逼真愈排斥?

生化機械研究人員對機器「人」的要求越來越高,但也有一派學者認為,擬真機器人究竟是會更親切,還是令人看了更絕毛骨悚然,仍有待商榷。

這種看法源自「恐怖谷」(Uncanny Valley)理論及現象,這是人類對於機器或非人物體的感覺假說。如果一個實體不夠擬人,那麼人類可以輕易辨識出它不是人,但如果這個實體與人的相似度極高,以致人類無法輕易辨識它是否為真人時,雖然會先產生正面的情感,卻會在感情達到一定程度後,旋即轉為憎恨及恐懼等負面情緒。簡而言之,人類對於與擬人程度高的機器人會產生害怕情緒與排斥反應。

東京大學 膠原蛋白

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