日本工程师让机器人有了皮肤和表情

日本的工程师们试图让机器人模仿那种特别的人类表情——微笑。

他们用人类皮肤细胞制作了一个面具，并通过一种新技术将其附着到机器人上，这种技术可以将附着点隐藏起来，并且足够柔韧，可以转变为皱眉或宽慰的微笑。效果介于汉尼拔·莱克特的恐怖面具和粘土动画人物Gumby之间。

但科学家们表示，这些原型为更复杂的机器人铺平了道路，它们的外层既有弹性又耐用，足以保护机器，同时让其看起来更像人类。

根据2024年6月25日发表在《细胞报告物理科学》杂志上的一项研究，除了表情外，这种被研究人员称为“皮肤等价物”的材料是由实验室中的活体皮肤细胞制成的，可以形成瘢痕和受到烧伤，并且还可以自愈。

“类人面孔和表情改善了人机交互中的沟通和同理心，使机器人在医疗、服务和陪伴角色中更为有效，”东京大学教授兼该研究的首席研究员竹内正治（Shoji Takeuchi）在一封电子邮件中说。

这项研究正值机器人在工厂车间变得越来越普遍之际。据国际机器人联合会称，2022年有390万个工业机器人在汽车和电子装配线上以及其他工作环境中工作。

总机器人数量的一部分包括所谓的类人机器人，这些机器具有两只手臂和两条腿，使它们能够在工厂等为人类工人设计的环境中工作，也包括酒店、医疗保健和教育等领域。

国际机器人联合会发言人卡斯滕·赫尔（Carsten Heer）表示，类人机器人是“一个令人兴奋的发展领域”，但大规模市场采用将是复杂的，并可能受成本限制。

尽管如此，在2023年10月，中国政府宣布了到2025年大规模生产类人机器人的目标，预计这将大大提高其工业生产力。

几十年来，机器人工程师们一直在实验各种材料，希望找到一种既能保护机器人的复杂机械装置，又足够柔软和轻便的材料，以适应各种用途。

如果机器人的表面被划伤或刮伤，可能会导致机器故障，使自我修复的能力成为类人机器人的“关键特性”，研究人员在论文中表示。

这种新颖的皮肤附着方法推进了“生物混合”机器人这一新兴领域，该领域将机械工程与遗传和组织工程相结合，西北大学机器人与生物系统中心主任凯文·林奇 (Kevin Lynch)说。

“这项研究是解决将人工皮肤固定到基础材料问题的创新贡献，”林奇教授说，“活体皮肤可能帮助我们实现生物混合机器人自愈皮肤的里程碑。”该研究没有涉及机器人皮肤如何在没有外部支持的情况下自愈，他补充说。

对于这样的机器人，材料的挑战还包括逼真性——找到赋予机器类似人类的特征的方法，例如微笑的能力。

包括竹内教授和东京大学同事在内的科学家们已经与实验室制造的人类皮肤合作多年。2022年，研究团队开发了一种覆盖有活体皮肤的机器人手指，使机器的手指能够像人类手指一样弯曲，从而使其具有执行更精细任务的触觉。

竹内教授的团队曾尝试用微型钩子固定皮肤，但这些钩子在机器人移动时会造成撕裂。因此，团队决定模仿韧带，也就是将骨头连接起来的小绳状松散组织。

团队成员在机器人上钻了小的V形孔，并涂上含有胶原蛋白的凝胶，凝胶会堵住这些孔并将人工皮肤固定在机器人上。

“这种方法将传统的刚性机器人与柔软的生物皮肤结合在一起，使它们更‘像人类’，”新加坡南洋理工大学机械与航空航天工程学院助理教授王一帆说，他研究模仿生物的“软体机器人”。

皮肤固着还赋予了生物混合机器人感知的潜力，使科学向科幻幻想更近一步。“这可能为机器人创造与人类感知和安全互动的机会，”王教授说。

竹内教授实验室中具有人工皮肤的机器人的面部没有触觉或温度变化等外部刺激的能力。竹内教授说，这是他的下一个研究目标。

“我们旨在通过逐步构建血管、神经、汗腺、皮脂腺和毛囊等基本成分，创造出功能上非常接近真实皮肤的皮肤，”他说。

为了替代传递人类身体感知的神经系统，机器人的电子设备需要为传感器信号提供动力。“这一发展将需要更多的时间和研究，”王教授表示。