Искусственная кожа, созданная из человеческих клеток, придает роботам естественную мимику
Японские исследователи разработали искусственную кожу на основе клеток человеческой кожи, которая может воспроизводить естественную мимику. Таким образом, роботы-гуманоиды смогут воспользоваться этой технологией, чтобы лучше общаться с людьми невербально и, главное, более реалистично. Технология также позволит моделировать процессы, связанные с образованием морщин, что может быть очень полезно для косметической промышленности.
За последнее десятилетие технологии гуманоидной робототехники достигли значительных успехов. Однако эти роботы имеют ограничения, когда речь заходит об их способности подражать людям и естественно взаимодействовать с ними невербальными способами. Так, было высказано предположение, что для полноценного общения с нами роботы должны уметь выполнять универсальные вербальные функции и как можно точнее имитировать нашу внешность и выражения лица. Чтобы добиться этого, исследователи сосредоточились на разработке более естественных искусственных кожных покровов.
“По мере развития технологий искусственного интеллекта и других достижений расширяются роли роботов, начинают меняться и функции, необходимые для их кожи”, — рассказывает New Scientist Мичио Каваи (Michio Kawai) из Токийского и Гарвардского университетов.
В соответствии с этим видением были разработаны роботы с кожей, которая может потеть, самовосстанавливаться и обладать тактильной чувствительностью. В отличие от кожи роботов, изготовленной из силикона или других полимеров, эти ткани сделаны из живых клеток, что позволяет им имитировать биологические функции человеческой кожи. Способность к самовосстановлению особенно подходит для непредсказуемой среды, где роботы особенно подвержены царапинам и другим мелким повреждениям. Другие свойства позволяют им иметь внешний вид, максимально приближенный к человеческому.
Каваи и его коллеги предлагают еще более реалистичную версию, которая позволит роботам-гуманоидам создавать выражения лица, “более близкие к жизни”. Структура биогибридной кожи позволяет воспроизводить человеческую мимику плавно и гибко. Результаты исследования их разработки подробно изложены в журнале Cell Reports Physical Science.
Кожные связки, аналогичные связкам натуральной кожи
Чтобы применить кожу, созданную на основе культур человеческих клеток, к роботам, необходимо использовать трехмерные (а не двухмерные) структуры. Предыдущие методы предполагали использование пресс-форм. Полученная кожа могла равномерно облегать пальцы или суставы роботов. Однако в них отсутствовали подкожные поддерживающие структуры, что делало их склонными к деформации и повреждению при механическом воздействии.
Для исправления ситуации были предложены крепления в виде выступов, но это придавало роботам нереалистичный вид и мешало плавности их движений. В свою очередь, исследователи в новом исследовании вдохновились подкожными связками человека для поддержки своей роботизированной кожи. Эти связки позволяют натуральной коже оставаться на месте, обеспечивая при этом отличную упругость и гибкость.
Полученная ткань представляет собой смесь клеток человеческой кожи, выращенных на коллагеновом каркасе. Толщина структуры составляет 2 миллиметра, в ней есть дермальный и эпидермальный слой.
Чтобы создать связки, исследователи создали роботизированное лицо, способное улыбаться, и 3D-печатную человеческую голову. Первая соединена со стержнями, которые позволяют ей двигаться. Затем они добавили якоря перфорационного типа — крошечные V-образные полости в смоле, внутри которых живая ткань может расти и развивать связки естественным образом. Для улучшения проникновения кожного геля в полости также использовалась техника обработки паром.
Было обнаружено, что кожа может совершать движения, сопоставимые с движениями человеческой кожи. “Мы установили корреляцию между размерами якоря и эффективностью его фиксации с помощью тестов на сжатие и тягу“, — объясняют эксперты в своей работе. Приведение в действие ткани также показало, что робот может создавать настоящую мимику, включая улыбку.
С другой стороны, когда исследователи заставили робота улыбаться в течение месяца, они обнаружили, что на его коже появились мимические морщины, сравнимые с человеческими. Эти результаты могут иметь большое значение для косметической и фармацевтической промышленности. Среди прочего, они могут улучшить наше понимание процесса образования морщин, чтобы сократить количество испытаний на животных при разработке косметических средств против морщин.
Однако важно отметить, что эта искусственная кожа все еще далека от того, чтобы воспроизвести все биологические функции, характерные для человеческой кожи. Кроме того, отсутствие сенсорных функций и кровеносных сосудов, орошающих ее и снабжающих питательными веществами, означает, что она не сможет долго существовать на открытом воздухе.
В качестве следующего шага “мы хотели бы интегрировать в кожу такие структуры, как нервы и кровеносные сосуды, и создать робота, который двигался бы с помощью мышц, созданных из мышечных клеток, чтобы сделать его более человечным“, — заключает соавтор исследования Шоджи Такеучи из Токийского университета для The Mainichi.
Видео, демонстрирующее работу роботизированного лица с искусственной кожей: