最近，日本科學家給機器人做了一張「臉」，會笑會動有皺紋。
不少網友看到後聯想到了「終結者」，畢竟圖中的微笑確實很像施瓦辛格在《終結者》中的表演。
這其實並不是來自科幻電影，而是由日本東京大學竹內昌治（Shoji Takeuchi）教授及河合道雄（Michio Kawai）團隊利用活體人類皮膚細胞組織製作的「機器人臉」。
而且這張臉，最有可能先用在人身上。
如何給機器人披上「人皮」
十幾年來，機器人研究者一直在試驗各種材料，希望找到一種既能保護機器人復雜機械，又足夠柔軟和輕便的材料，但一直進展緩慢。
雖然目前機器人的矽膠皮膚可以在一定程度上模仿人類皮膚，但在細節上仍然做得不夠，不僅在對機械的附著力上很難做到恰如其分，而且一旦表面被劃傷，常常會影響機械的運作，而這就很容易直接導致「恐怖谷效應」。
讓人看了害怕的機器人，何談服務於人？
▲ 恐怖谷效應——當人形機器人或仿真圖像變得非常逼真但又不完全時，人們會感到強烈的不安和反感
而日本科學家竹內昌治在其論文《穿孔型錨，靈感來自皮膚韌帶，用於覆蓋活體皮膚的機器人面部（Perforation-type anchors inspired by skin ligament for robotic face covered with living skin）》中描述的這個方法，由於其生成的皮膚是由人類皮膚細胞培養而成的混合物，所以在視覺觸感上與人類皮膚很像，而且在很大程度上解決了機器人皮膚固定的問題。
在人類身上，有一個龐大的韌帶網絡將皮膚固定在下層肌肉和組織上，研究人員仿照這種思路設計了一種 V 形的穿孔結構，竹內教授表示：
通過模仿人類皮膚韌帶結構，並在固體材料中使用特製的 V 形穿孔，我們發現了一種將人造皮膚與機械結構結構結合的方法。V 形穿孔的設計模仿了人類皮膚韌帶的結構，使得皮膚能夠與機器人的機械部件一起運動，而不會撕裂或剝落。
▲ 左：人類臉部結構 右：機器人臉部結構
研究人員還通過一系列實驗，測試評估了這種穿孔型錨在固定皮膚組織方面的能力：
首先，為了展示穿孔型錨點在覆蓋復雜輪廓的 3D 對象上的多功能性，研究人員製造了覆蓋有皮膚等效物的 3D 面部裝置。
通過倒入凝膠真皮溶液並孵育 7 天，形成固定在錨上的真皮等效物。為了模仿人類面部結構，他們還在機器人面部設置了一些小孔，填充大量包含彈性材料的凝膠體。
接著，在真皮上接種人造表皮角質形成細胞，培養 17 天，最終形成具有真皮和表皮層的機器人皮膚。
研究指出，膠原蛋白注射空間的均勻厚度對於實現均勻覆蓋至關重要，並發現皮膚等效物在不同輪廓區域的厚度有所變化。
實驗還顯示，使用穿孔型錨點對於固定皮膚等效物至關重要，否則組織會因收縮力分離。
▲ 培養過程中沒有錨的組織出現收縮，不能保持其形狀
為了驗證穿孔型錨抑制皮膚收縮的作用，研究人員製作了帶有不同直徑 (1mm、3mm 和 5mm) 穿孔型錨的裝置，將含有人正常皮膚成纖維細胞的膠原蛋白凝膠注入其中，形成真皮等效物，觀察了 7 天內真皮等效物的收縮情況。
結果顯示：
- 沒有錨固的樣本在 7 天內收縮了 84.5%, 而使用錨固的樣本收縮程度大大降低。
- 1mm 直徑的錨可以將收縮限制在 33.6%。
- 3mm 直徑的錨可以進一步將收縮限制在 26.3%。
- 5mm 時，收縮程度反而增加了 32.2%。
這可能是因為較大的錨占據了更多的表面積，使得組織向中心收縮的距離反而變大。
▲ 不同錨點數量對抑制皮膚收縮的影響
研究人員還通過有限元法（利用計算機仿真技術來評估和分析錨點數量對錨固性能影響）評估了錨點數量對錨固性能的影響，結果顯示：
- 錨栓的數量越多，皮膚對拉伸力的抵抗能力越強。
- 當錨栓距離受力點較遠時，皮膚在較小作用力下就會發生明顯位移。
也就是說，錨栓密度較低的區域允許更大的形變，但容易在單個錨上造成集中的載荷。反之，較高的錨栓密度可以提供更強的附著力和更低的形變。
這證明穿孔型錨對於面部皮膚的選擇性驅動具有潛在的效用，就像人類的面部肌肉一樣。換言之，皮膚上不同錨栓密度布置，會成為皮膚上「表情」設計的關鍵。
在人類情感表達中，往往通過擬態肌肉的收縮，帶動面部皮膚形成表情。在這張皮膚上，研究人員也通過對皮膚厚度、錨點密度、錨栓長度等因素的控制，使皮膚出現選擇性的形變，復刻出了類似人臉的笑容。
▲ 模擬機器人面部驅動
為何「皮膚」如此重要
實際上，竹內教授一直主張將人體生物組織和機械材料結合起來，製造出更具擬人特徵的機器人。他認為：
活體皮膚是賦予機器人生物外觀和觸感的終極解決方案。
2022 年，他和他的團隊曾經利用膠原蛋白和真皮成纖維細胞，製作類人類真皮層手指。
造出來的人造「皮膚」不僅具有良好的彈性，還可以隨著手指動作起皺和拉伸，與真實手指給人的感覺非常接近。
並且該皮膚還有一定的可修復性。研究者將「手指」切出一個小口，使用膠原蛋白敷料進行包紮，在培養皿中靜置一周後，膠原蛋白可以在一定程度上修復皮膚。
經過這個實驗後，竹內教授表示：
我們對皮膚組織與機器人表面的契合度感到震驚。
今年 1 月，他還曾提出過仿人體肌肉來製造機器人雙腿，打造出機械為骨、人體組織為皮肉的機械結構生物混合機器人。
雖然如今的人造皮膚還顯得有些「驚悚」，但實際上將機器人做得越來越像人，本就是人形機器人的重要目標之一。
這主要由於人形機器人通過外觀、表情和動作模仿人類，可以提供更自然、更親切的交互體驗。這種相似性使得人類在與機器人互動時感到更舒適，更容易接受和信任它們。竹內昌治表示：
類人的面孔和表情改善了人機互動中的溝通和同理心，使機器人在醫療保健、服務和陪伴方面更有效。
例如很多科幻電影中，逼真的人類皮膚已經成為人形機器人的標配，甚至在《聊齋》中，美貌的「畫皮」也是鬼怪與人類親近的必然選擇。
顯然，人類天生對相似面孔和行為模式更易產生情感聯結，提供情感支持和陪伴。通過模仿人類的表情、聲音和肢體語言，人形機器人還能更順利地融入人類的工作環境、使用與人類相同的工具和設備，甚至勝任演員、模特或藝術創作者的角色中。
新加坡南洋理工大學機械與航天工程學院助理教授王一帆表示，這種皮膚結合賦予了生物混合機器人感覺的潛力：
這可以為機器人感知人類，並安全地與人類互動創造機會。
▲ 電影《機械姬》中的人形機器人
不過，雖然實驗取得成功，但想要使用到機器人上還有很長的一段路要走，竹內教授表示：
首先，我們需要提高培養皮膚在應用於機器人時的耐久性和壽命，特別是解決與營養和水分供應相關的問題。這可能涉及在皮膚內開發整合的血管或其他灌注系統。其次，提高皮膚的機械強度以匹配天然人類皮膚的強度至關重要。這需要優化培養皮膚內的膠原蛋白結構和濃度。
他還指出，要真正發揮功能，人造皮膚最終必須能夠像佩戴它的機器人傳達溫度和觸覺等感官信息，而這也正是竹內教授的下一個研究目標，他表示：
我們的目標是通過逐漸構建血管、神經、汗腺、皮脂腺和毛囊等基本成分，創造出與真實皮膚功能密切相關的皮膚。
▲ 竹內昌治
值得一提的是，如果人造皮膚的研究取得成功，不僅可以被用於機器人製造，在其他領域，例如設計製作假肢、治療燒傷、整容後遺症、面癱等方面都有很大的應用潛力，河合道雄表示：
隨著 AI 技術的發展和其他幾部，使機器人承擔更多角色，機器人皮膚的功能需求也在變化。
在一些實驗中，研究人員發現當機器人皮膚長期保持一個形態，能夠復制皺紋的生成過程：
重現皺紋形成的皮膚模型，有可能用於旨在預防、延緩或改善皺紋形成的化妝品和護膚品的測試中。
而這對研究、測試新的化妝品、護膚品而言，無疑有著非常巨大的作用。
這項專門為機器人打造的「皮膚」，最有可能先用在人身上。
顯然這個技術是否能幫助機器人更像人還有一定爭議，但或許會在機器人以外的領域「無心插柳柳成蔭」。
這何嘗不是另一種成功呢？
來源：愛范兒
