东京大学的实验室里，一根覆盖着淡黄色皮肤的机器人手指正在缓缓弯曲。这不是硅胶，不是乳胶，而是真正的活体人类皮肤组织。更神奇的是，这层皮肤内部还有一套“血管系统”在源源不断地输送营养液。
7天过去了，暴露在空气中的皮肤依然保持着湿润和活性。要知道，此前所有的活体皮肤机器人实验中，皮肤组织在空气中几个小时就会干燥死亡。
这是不久前发表在《Advanced Intelligent Systems》期刊上的研究。研究团队通过模仿人体的血液循环系统，为机器人皮肤设计了一套双层渗透性皮下支撑结构，成功解决了活体组织机器人最大的技术难题——如何让皮肤在空气中长时间存活。
“就像人体皮肤通过血管获得营养一样，我们的机器人皮肤也能通过内部的循环系统持续获得水分和营养。”研究团队在论文中写道。这或许意味着，科幻电影中那些拥有真实触感的机器人，正在一步步成为现实。
▍双层渗透性皮下支撑：机器人皮肤的“血管系统”
研究团队的核心创新在于设计了一种双层渗透性皮下支撑结构。这个结构由两层组成：一层是密集穿孔的3D打印骨架层，另一层是海绵状的聚乙烯醇（PVA）水凝胶层。
先说骨架层。不同于以往的实心设计，这次的骨架采用了蜂窝状的密集穿孔结构。这些孔洞不仅能让培养液自由流通，还保持了足够的结构强度来支撑关节运动。研究团队使用了抗拉强度达71.5 MPa的3D打印树脂，比之前研究中使用的材料强度提高了近50%。
更妙的是水凝胶层的设计。研究人员在制备PVA水凝胶时加入了海藻酸钠，经过冷冻-解冻处理后再将海藻酸钠去除，最终形成了具有海绵状多孔结构的水凝胶。这层水凝胶不仅能够渗透培养液，还能像人体的皮下脂肪一样，为上层的真皮组织提供机械缓冲。
拉伸测试显示，这种海绵状PVA水凝胶的断裂应变达到4.77，远超过关节弯曲所需的0.54应变值，完全能够承受机器人手指的运动。同时，其杨氏模量为14.3 kPa，在柔软性和支撑性之间达到了平衡。
▍注射器驱动的防水关节：让“血液”和运动共存
要让机器人手指既能运动又能内部循环培养液，这本身就是个技术难题。研究团队提出了一个巧妙的“注射器驱动”机制。
具体来说，他们将控制手指运动的尼龙线一端固定在注射器活塞的内侧，线穿过注射器筒体与机器人手指相连。这样一来，通过推拉注射器就能控制手指的弯曲和伸展，而注射器的密封性又很好的解决了防水问题。
实验中，机器人手指在装配水凝胶层后仍能实现45-50度的弯曲角度。虽然比裸露骨架的64度有所降低，但这种程度的活动范围已经足够满足大多数应用需求。
更重要的是，这种设计让培养液能够在手指内部自由流动。渗透性测试表明，海绵状PVA水凝胶能够允许分子量高达150 kD的大分子物质通过，这意味着培养基中的白蛋白（66 kD）甚至纤维蛋白原（260 kD）都能顺利到达皮肤组织。
▍7天空气暴露测试：活体皮肤依然”活着”
研究还包括是对这种皮肤覆盖机器人手指的实际测试。研究团队使用人类真皮成纤维细胞（NHDF）构建了真皮层，并在其上培养了表皮层。
在为期7天的灌注培养中，覆盖在机器人手指上的皮肤组织不仅保持了活性，还表现出了组织收缩的现象——这恰恰证明了细胞的良好活性。更关键的是空气暴露实验的结果。
研究人员对比了两种情况：一种是传统的实心骨架机器人手指，另一种是采用双层渗透性支撑的机器人手指。在空气中暴露一天后，使用光学相干断层扫描（OCT）测量显示，传统设计的真皮厚度降至181微米，而新设计的真皮厚度保持在774微米，是前者的4倍多。
这个差异表明真皮组织的变薄会破坏胶原蛋白网络，改变细胞外环境，最终损害细胞功能。而新设计通过持续的内部补水，有效防止了组织脱水和功能丧失。
实验还发现，传统设计在一天内就有5.5克的水分流失（原始细胞悬液体积为9毫升），这意味着大部分水分通过蒸发和静水压力流失了。而新设计通过海绵状水凝胶的保水能力和持续的内部供给，成功维持了组织的水分平衡。
▍这项技术意味着什么：不只是机器人那么简单
研究团队还计划在皮肤中整合神经、毛囊等更复杂的结构，创造更加逼真的机器人模型。
这项研究的意义远超机器人领域本身。研究团队在论文中提出，这项技术未来可能应用于定制化皮肤移植——根据患者伤口的具体3D形状来培养匹配的皮肤组织，避免传统植皮手术需要从患者身上取皮的痛苦。
在机器人应用方面，具有真实皮肤触感的机器人在医疗护理、陪伴服务等领域将大有可为。试想一下，当护理机器人拥有温暖柔软的触感，对于需要长期照护的患者来说，这种人性化的接触可能带来巨大的心理慰藉。
同时，这种“注射器驱动”的防水设计不仅适用于生物混合机器人，对传统的线驱动机器人也有借鉴意义。而双层支撑结构的设计思路，或将为解决软体机器人的结构与功能矛盾提供新方案。
当然，研究团队也指出了当前的局限性，比如表皮层的厚度和分化程度还需要进一步优化，大面积3D形状组织的细胞活性评估方法仍需建立等。但可以确定的是机器与生命的界限正在变得模糊，技术与生物的融合正在创造全新的可能。
或许在不久的将来，当你握住一只温暖的手时，你需要想一想：这是人类的手，还是拥有活体皮肤的机器人？
参考文献：
Keisuke Ohta, et al. Skin-Covered Biohybrid Robotic Finger with Bilayered Permeable Subcutaneous Support for Internal Hydration Supplement. Advanced Intelligent Systems, 2025.
（文：机器人大讲堂）