3Dプリントされた顔と生きた皮膚を持つロボット

この投稿は Coco Bear によって 2024-7-3 23:59 に最後に編集されました。

2024年7月3日、南極クマは東京大学の研究者がロボットに生きた皮膚を取り付ける方法を発明したことを知りました。この技術は3Dプリント技術で、人間の皮膚の靭帯にヒントを得たもので、ロボットのリアルな外観と機能を向上させることが期待されている。

ロボット皮膚の課題

人間と対話するように設計されたロボットには、人間の皮膚の外観と機能を模倣した皮膚のような覆いが必要になることがよくあります。これは従来の素材では不可能であり、特に自己修復機能やリアルな触覚フィードバックなどの機能は実現できません。生きた細胞と細胞外マトリックスから作られた培養皮膚の使用は、その自然な機能から非常に有望ですが、この生きた皮膚をロボットの体にしっかりと取り付けることは非常に困難です。

△皮膚組織とロボットの融合

解決

この課題に対処するため、東京大学の竹内昭二教授率いる研究チームは、皮膚の靭帯にヒントを得た「穴あきアンカー」を開発した。アンカーは、3Dプリント技術を使用してロボットの表面に作られた小さなV字型の穴で、皮膚形成細胞を含むコラーゲンゲルが充填されており、皮膚への強力な接着力を生み出します。

アンカーは、大阪に本社を置くキーエンス社製の高精度3Dプリンター「AGILISTA-3100」を使用して製造された。このプリンターは、材料噴射技術を使用して、UV 硬化樹脂を使用した精密部品を製造します。最大 15 ミクロンの層厚を持つ高解像度のプロトタイプや機能部品を製造できます。正確で信頼性の高い 3D 印刷を必要とする用途に特に適しており、この研究で必要な複雑な構造を製造するのに最適です。

コラーゲンゲルがアンカー内に浸透してしっかりと接着できるようにするには、3D プリントされたデバイスの表面をプラズマ処理する必要があります。この処理により、デバイスの親水性が高まり、ジェルが毛穴内で広がり、付着する能力が向上します。次に、コラーゲンゲルをアンカーに導入してゲル化させ、安定した皮膚接着点を形成します。

人工皮膚組織と、ロボット機能の複雑な基礎構造へのその接着は、人間の組織の皮膚靭帯からヒントを得ています。

試験方法

研究チームは、この方法の有効性をテストするために、穴あきアンカーを使用して皮膚に相当するもので覆われた 3D 顔モデルを作成しました。また、チームは笑うことができるロボットの顔も作成しました。これはうまく機能し、プラズマ処理によってアンカーへのゲルの浸透性が大幅に向上し、皮膚がよりしっかりと接着できることを示しました。

雑誌「Cell Reports Physical Science」に掲載された研究によると、「プラズマ処理されたアンカーは濡れ性が向上し」、コラーゲンゲルがより効果的にアンカーに浸透できるようになったという。肌の密着性と安定性を向上します。この方法は、顔のモデルなどの複雑な 3D 形状の製造にうまく適用され、ロボットの顔にリアルな表情を作成できることが実証されました。

新しい固定方法により、柔軟な皮膚組織が比較的平らなロボットの笑顔に適応できるようになり、皮膚はロボットの動きを制限することなく変形し、その後元の形状に戻ります。

「手のひらサイズの研究用チップでシワの形成を再現できれば、シワの形成を予防、遅延、改善するように設計された新しい化粧品やスキンケア製品のテストに使用できる可能性があります」と、東京大学在学中にこのプロジェクトに携わり、2022年に竹内氏と共同で「ロボット上の生きた皮膚」と題した論文を発表したハーバード大学バイオエンジニアリング大学院生の河合道夫氏は述べた。河合氏と他の研究者らは、生きた皮膚組織で覆われた制御可能なロボット指を開発した。ロボットの指には生きた細胞とそれを支える有機材料が使われており、優しいタッチだけでなく頑丈さと耐久性も求められる用途に最適な形状と強度を実現しています。

バイオロボットの開発展望

ネット上では多くの人がこの「現実的な」進歩について懸念を表明し、ロボットの顔をSF映画「ブレードランナー」に登場する架空のバイオエンジニアリングによるヒューマノイドレプリカントの顔と比較するなどしているが、この革新はバイオハイブリッドロボットの分野に重要な意味を持つ。バイオハイブリッドロボットは、生物学的材料とロボットシステムを組み合わせて、よりリアルで機能的なロボットを作成する比較的新しい技術です。

竹内昭治教授は生物学と機械工学の交差点における先駆者です。これまでに、彼のバイオハイブリッドシステム研究室は、生物学的筋肉組織、3Dプリントされた実験室培養肉、治癒人工皮膚などを使用して歩くマイクロロボットを開発してきました。竹内氏は人工皮膚の研究を進める中で、ロボット皮膚のコンセプトをさらに発展させて、その特性と機能を向上させる必要性を感じました。

「以前、人工皮膚組織で覆われた指型ロボットに取り組んでいたとき、ロボットの特徴を皮膚の皮下構造にもっとうまく結合させる必要があると感じました」と竹内氏は語る。「人間の皮膚の靭帯構造を模倣し、固体材料に特別に作られたV字型の穴を使用することで、皮膚を複雑な構造に結合しました。皮膚の自然な柔軟性と強力な結合方法により、皮膚は裂けたり剥がれたりすることなく、ロボットの機械部品と一緒に動くことができました。」

ロボットに生きた皮膚を取り付ける技術は、いくつかの分野を進歩させる可能性があります。たとえば、自己修復機能を備えた生きた皮膚を使用すると、ロボットの寿命が延び、メンテナンスコストが削減される可能性があります。よりリアルなロボットは、リアルな外観が重要な社会や医療の現場でのやり取りを改善する可能性があります。

△東京大学教授竹内昭治

これらの画期的な進歩により、生物部位の取り扱いや福祉、そして生き物のようなロボットの社会的影響といった倫理的な考慮も生じる一方で、バイオハイブリッドロボットの分野は成長を続けています。このような革新は、生物システムと機械システムの間のギャップを埋め、次世代のロボット工学への道を開く鍵となる可能性があります。

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