Поєднання культивованих клітин і силікону може допомогти роботам у майбутньому виглядати більш людьми завдяки реалістичній еластичності шкіри. І вони теж можуть посміхатися, як ми. Роботи майбутнього можуть бути закутані в реалістичну шкіру, яка здатна відновлюватися, подібно до того, як людська шкіра заживає, завдяки новому підходу, що включає культивовані клітини шкіри.

Шкіра також виглядатиме більш реалістичною завдяки новому способу кріплення її до скелета робота, а також тому факту, що він може сам відновити будь-які порізи чи подряпини, – кажуть дослідники. Вони опублікували свої висновки 25 червня в журналі Cell Reports Physical Science.

Робототехніки раніше намагалися вирішити проблему штучної шкіри, яка провисає над металевим каркасом, закріпивши її за допомогою «якорів», гачків або грибоподібних структур. Це запобігає зсуву шкіри на рамі робота, але клейкі структури можуть стирчати під шкірою у вигляді грудок, що погіршує його людський вигляд.

У новому дослідженні дослідники запропонували метод, за допомогою якого скелет робота містить крихітні отвори, в які штучно вирощена шкіра може простягати v-подібні гачки, відомі як «анкери типу перфорації». Вони утримують штучну шкіру на роботі, зберігаючи при цьому гладку та гнучку поверхню.

Робимо шкіру робота більш реалістичною

Штучна шкіра накладається на роботу, оброблену плазмою водяної пари, щоб зробити її гідрофільною — іншими словами, забезпечити притягування рідини до поверхні. Це означає, що гель культивованої шкіри втягується глибше в отвори, щоб щільніше прилипати до поверхні робота.

Штучна шкіра вже давно рекламується як спосіб зробити роботів більш схожими на людину, а культивована шкіра виглядає більш реалістичною, ніж синтетичні матеріали, такі як латекс. Але без правильного клейового підходу штучна шкіра може звисати з рами робота, що викликає занепокоєння.

Однією з головних переваг цієї нової оболонки є те, що вона дозволить роботам працювати поруч з людьми, не відчуваючи надмірного зносу. Невеликі розриви або подібні пошкодження можна виправити без необхідності вручну ремонтувати роботів, сказала команда. Однак вони не виміряли, як швидко штучна шкіра зажила після пошкодження.

В одній демонстрації дослідники відтворили, як змінюється шкіра, коли людина посміхається. Це передбачало з’єднання штучної шкіри з обличчям робота зі ковзним шаром силікону під ним. Це призводить до «надування щік», оскільки м’язи напружуються, і шкіра підтягується в обох кутах рота. Завдяки кріпленням для перфорації шкіра могла безперешкодно підходити до 3D-форми обличчя без виступаючих болтів чи гачків.

Дослідники також порівняли штучну шкіру, нанесену на поверхню з кріпленнями на основі перфорації та без них. На поверхнях без анкерів оболонка скоротилася на 84,5% протягом семи днів у порівнянні з 33,6% на поверхні з анкерами 0,04 дюйма (1 міліметр). Звуження шкіри робота відокремило б шкіру від внутрішньої рами робота, зруйнувавши його реалістичний вигляд і потенційно спричинивши пошкодження шару шкіри. Шкіра на поверхнях з більшими 0,1-дюймовими (3 мм) і 0,2-дюймовими (5 мм) якорями зберігалася ще довше, на 26,4% і 32,2% відповідно). 

Шлях до створення людиноподібних андроїдів

Шодзі Такеучі, дослідник з Інституту промислової науки (IIS) Токійського університету, сказав Live Science, що ще потрібно зробити кілька кроків, перш ніж роботи, ймовірно, будуть носити шкіру за методами команди.

«По-перше, нам потрібно підвищити міцність і довговічність культивованої шкіри при застосуванні до роботів, зокрема шляхом вирішення проблем, пов’язаних із постачанням поживних речовин і вологи», — сказав він. «Це може включати розвиток інтегрованих кровоносних судин або інших перфузійних систем у шкірі».

«По-друге, вирішальним є підвищення механічної міцності шкіри, щоб вона відповідала натуральній людській шкірі. Це передбачає оптимізацію структури та концентрації колагену в культивованій шкірі».

Такеучі також зазначив, що для того, щоб бути по-справжньому функціональною, штучна шкіра зрештою повинна буде передавати сенсорну інформацію, таку як температура та дотик, до будь-якого робота, який її носить, а також бути стійкою до біологічного забруднення.

Вчені заявили, що дослідження в цій галузі можуть сприяти нашому розумінню того, як лицьові м’язи передають емоції — що, своєю чергою, може сприяти прориву в хірургії для лікування захворювань, таких як параліч обличчя, або розширити можливості косметики та ортопедичної хірургії. Краще розуміння адгезії до шкіри може також запобігти необхідності будь-яких V-подібних отворів у майбутніх роботах.

Інженери Прінстона розробили новий цементний композит, натхненний черепашковим перламутром, значно підвищивши його довговічність і гнучкість. Інженери Прінстонського університету, черпаючи натхнення з матеріалів, знайдених у раковинах устриць і вушок, розробили новий цементний композит. Цей інноваційний матеріал у 17 разів більш стійкий до розтріскування та в 19 разів більш гнучкий і деформований без руйнування порівняно з традиційним цементом. Цей прорив може значно підвищити стійкість до розтріскування різних крихких керамічних матеріалів, починаючи від бетону і закінчуючи порцеляною.

«Якщо ми зможемо сконструювати бетон, який буде протистояти поширенню тріщин, ми зможемо зробити його міцнішим, безпечнішим і довговічнішим», — сказав дослідник Шашенк Гупта, аспірант лабораторії Рези Моїні на факультеті цивільної та екологічної інженерії.

У статті, опублікованій 10 червня в журналі  Advanced Functional Materials , дослідницька група під керівництвом Моіні, доцента кафедри цивільної та екологічної інженерії, повідомила, що створення чергування шарів цементної пасти та тонкого полімеру може значно підвищити стійкість до розтріскування та здатність деформуватися без повного руйнування (пластичність).

Біологічний дизайн і тестування

У роботі над будівельними матеріалами лабораторія Мойні часто шукає натхнення в біології. У цьому випадку команда розробила композит, натхненний природним матеріалом під назвою перламутр, який міститься в певних черепашках. Гупта сказав, що на мікроскопічному рівні перламутр складається з шестикутних таблеток твердого мінералу арагоніту, склеєних м’яким біополімером.

Таблетки арагоніту значно підвищують міцність перламутру, а біополімер додає гнучкості та стійкості до розтріскування. Механізм зміцнення передбачає ковзання таблеток арагоніту під напругою, що разом з іншими механізмами дозволяє перламутру розсіювати енергію. Ця дія ковзання в поєднанні з відхиленням тріщин і деформацією біополімеру дозволяє перламутру витримувати значні механічні навантаження, зберігаючи структурну цілісність, що робить його міцним і пружним.

«Ця синергія між твердими та м’якими компонентами має вирішальне значення для чудових механічних властивостей перламутру», — сказав Гупта.

Команда Прінстона розробила інноваційні композити, натхненні перламутром, використовуючи звичайні будівельні матеріали, такі як паста портландцементу в поєднанні з обмеженою кількістю полімеру. Вони чергували шари листів цементного тіста з полімером, що дуже розтягується, полівінілсилоксаном. Дослідники створили багатошарові невеликі балки, чергуючи листи цементної пасти з тонкими шарами полімеру. Потім ці балки були піддані триточковому випробуванню на вигин у трьох точках, де кожна балка була випробувана на вигин для оцінки стійкості до розтріскування (або міцності на руйнування).

Експериментальні результати та спостереження

В ході експерименту дослідники виготовили три типи пучків. Перший тип складався з чергування шарів листів цементного тіста та тонкого полімеру. Для другого типу вони використовували лазер, щоб вигравірувати шестикутні канавки в листах цементного тіста. Ці рифлені листи потім укладалися з тонкими полімерними шарами між ними. Третій тип був схожий на третій, але дослідники повністю розрізали цемент, створивши окремі шестикутні таблетки, з’єднані полімерним шаром. Ці таблетки цементної пасти лежать на полімерному шарі подібно до того, як арагоніт лежить на біополімерному шарі перламутру. Ці три типи порівнювали з еталонним суцільним (монолітним) аналогом з литої цементної пасти.

Експерименти показали, що руйнування еталонних балок було крихким — це означає, що балки раптово і повністю зламалися після досягнення точки руйнування, без пластичності. Балки з чергуванням шарів, як рифлених, так і не рифлених, продемонстрували підвищену пластичність і стійкість до розтріскування.

Найбільш значні результати спостерігалися в балках з повністю розділеними гексагональними таблетками, схожими на перламутр. Ці балки показали в 19 разів більшу пластичність і в 17 разів більшу в’язкість до руйнування, зберігаючи при цьому майже таку ж міцність, як і суцільна балка з цементного тіста.

«Наш підхід, натхненний біотехнологіями, полягає не в тому, щоб просто імітувати мікроструктуру природи, а в тому, щоб вчитися на основних принципах і використовувати їх для розробки матеріалів, створених людиною. Одним із ключових механізмів, що робить перламутрову оболонку міцною, є ковзання планшета на нанометровому рівні. Тут ми зосереджуємось на механізмі ковзання таблеток, розробляючи вбудовану табличну структуру цементного тіста в балансі з властивостями полімеру та межею розділу між ними». Мойні сказав. «Іншими словами, ми навмисно створюємо дефекти в крихких матеріалах, щоб зробити їх міцнішими».

Дослідники відзначили, що результати ґрунтуються на лабораторних умовах і що для розробки методів використання в польових умовах знадобиться додаткова робота та дослідження. Вони працюють над тим, щоб визначити, чи в’язкість і пластичність конструкції застосовуються до інших керамічних матеріалів, крім цементної пасти, наприклад бетону.

«Ми лише дряпаємо поверхню; буде багато можливостей проєктування для дослідження та проєктування основних властивостей твердих і м’яких матеріалів, інтерфейсів і геометричних аспектів, які впливають на фундаментальні розмірні ефекти в будівельних матеріалах», – сказав Моїні.