- Tokijská univerzita vyvíjí humanoidní roboty s umělou kůží
- Unikátní kůže pro roboty je téměř k nerozeznání od té lidské
- Umělá kůže navíc sama dokáže opravit své poškození
Japonští vědci z Tokijské univerzity, vedení profesorem Shódžim Takeučim, vyvinuli revoluční techniku, která umožňuje připevnění uměle vytvořené kožní tkáně k humanoidním robotům. Tato metoda využívá napodobení struktur kožního vaziva a perforace ve tvaru písmene V, což umožňuje spojení kožní tkáně se složitými, zakřivenými a pohyblivými povrchy. Nově vyvinutá technologie přináší zvýšenou mobilitu, zabudované snímací schopnosti, schopnost samoléčení a realističtější vzhled robotů.
Biohybridní robotika na Tokijské univerzitě
Laboratoř Biohybrid Systems Laboratory na Tokijské univerzitě se již dlouho zabývá výzkumem kombinace strojírenství a biologie. Pod vedením profesora Takeučiho vytvořili výzkumníci umělou kůži schopnou samoléčení, 3D tiskem vypěstované laboratorní maso a miniaturní chodící roboty. Tento nejnovější výzkum se zaměřuje na zlepšení přilnavosti mezi robotickými prvky a podkožní strukturou kůže.
V oblasti robotiky, zejména u humanoidních robotů, je klíčové vybavit roboty schopnostmi podobnými lidským. Tyto schopnosti zahrnují hmatovou citlivost, vlastní opravu, pot a realistický vzhled. S rozvojem technologií se objevila řada robotů napodobujících tyto schopnosti, ale stávající materiály robotické kůže často nedosahují úrovně komplexních biologických funkcí lidské kůže. Kultivovaná kůže představuje novou metodu, která umožňuje dosažení těchto funkcí a přináší významné inovace v oblasti humanoidních robotů.
Jedním z nejvýznamnějších aspektů kultivované kůže je její schopnost vybavit roboty samoléčebnými schopnostmi, které jsou vlastní biologické kůži. V nepředvídatelném prostředí mohou drobné škrábance a poškození robotické kůže přerůst ve vážná poškození, pokud nejsou opraveny. Schopnost samoopravy se proto pro humanoidní roboty stává kritickou vlastností. Aby bylo možné využít kultivovanou kůži v robotice, je nezbytné zkonstruovat trojrozměrné (3D) ekvivalenty kůže namísto tradiční dvourozměrné (2D) tkáně. Tento přístup umožňuje pokrýt složité 3D struktury robotů, jako jsou robotické prsty a obličejové rysy.
Konstrukce 3D kůže
Současné techniky tvarování zahrnují zmenšování kůže kolem objektu a vytváření ekvivalentů 3D kůže, které mohou rovnoměrně obalit 3D struktury. Tyto metody však postrádaly mechanismus pro fixaci kůže k podkladové vrstvě, což činí kůži náchylnou k deformaci a poškození. Tradiční metoda fixace tkáně pomocí výčnělkových kotev má své nevýhody, protože kotvy vyčnívají ven a obtížně se umisťují na konkávní povrchy, což ohrožuje vzhled a flexibilitu robota.
Metoda využívající kotvy typu perforace
Nová metoda, kterou popisujeme, využívá kotvy typu perforace inspirované kožními vazy. Tyto vazy, složené převážně z kolagenu a elastinu, jsou malé spojovací tkáně, které ukotvují kůži k podkladovým tkáním a umožňují plynulé pohyby těla. Tato metoda napodobuje tuto strukturu a nabízí méně omezující umístění kotev, čímž eliminuje nevýhody konvenčních vyčnívacích kotev a zachovává estetickou integritu robota.
Tento proces zahrnuje nanesení gelu s buněčnými vlákny tvořícího kůži jak na speciálně navržené výřezy ve tvaru písmene V ve struktuře robota, tak do nich. Kotvy disponují speciálním tvarem V. Tento design umožňuje, aby se kolagenový gel, který obsahuje buněčná vlákna tvořící kůži, dostal nejen na povrch, ale také dovnitř těchto otvorů. Navíc výřezy ve tvaru V zajišťují, že kůže zůstane pevně ukotvena i při pohybu mechanických částí robota. Pružnost kůže je zachována, což zamezuje jejímu odtržení nebo odloupnutí.
Jedním z klíčových kroků je plazmová úprava, která zvyšuje průnik gelu do výřezů. Proces kotvení může selhat, pokud kolagenový gel nepronikne dostatečně do výřezů nebo pokud vzduchové bubliny naruší vnitřní tkáň během gelovatění. Plazmová úprava činí zařízení hydrofilní a zvyšuje průnik gelu do vnitřku kotvy, což zajišťuje pevnou fixaci kůže. Univerzálnost kotev typu perforace byla demonstrována prostřednictvím dvou aplikací: konstrukce 3D kůže pomocí 3D obličejové formy pokryté kožním ekvivalentem a ovládání dermis na robotickém obličeji navrženém tak, aby vykazoval usměvavý výraz.
Proces konstrukce kožního ekvivalentu zahrnuje několik kroků: nalití pregelového dermis roztoku do prostoru mezi formami, inkubaci po dobu 7 dní, odstranění horní formy a vytvoření epidermální tkáně vysemenením normálních lidských epidermálních keratinocytů (NHEK) na povrch dermis. Tkáň je následně kultivována po dobu 3 dnů v médiu a následujících 14 dní na rozhraní vzduch-kapalina.
Tato nová metoda fixace kůže pomocí kotev typu perforace přináší několik výhod. Eliminuje nevýhody tradičních výčnělkových kotev a zvyšuje estetickou integritu a flexibilitu designu robota. Plazmová úprava zajišťuje pevnou fixaci kůže bez rizika deformace a poškození. Tato inovace umožňuje robotům lepší pohyblivost a schopnost samoléčení, což je klíčové pro jejich dlouhodobou funkčnost v nepředvídatelných prostředích.
