盡管現(xiàn)有研究已在皮膚等效物中成功構(gòu)建灌注通道，然而這些技術(shù)主要適配平面二維結(jié)構(gòu)，難以匹配機(jī)器人本體復(fù)雜的三維曲面形態(tài)。此外，多孔支架雖能促進(jìn)內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)輸送，但其移植導(dǎo)向的設(shè)計(jì)初衷導(dǎo)致難以整合關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)——而關(guān)節(jié)恰是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)與靈活性的核心需求。

在生物系統(tǒng)中，血管網(wǎng)絡(luò)通過(guò)持續(xù)輸送養(yǎng)分與水分維持皮膚組織活性（圖1a）。受此啟發(fā)，本研究為覆蓋活體皮膚的生物混合機(jī)器人設(shè)計(jì)了雙層皮下支撐結(jié)構(gòu)：培養(yǎng)液經(jīng)泵送系統(tǒng)注入機(jī)器人手指內(nèi)部的灌注通道，再通過(guò)該結(jié)構(gòu)輸送至皮膚組織（圖1b）。該支撐結(jié)構(gòu)由功能互補(bǔ)的兩層組成：穿孔骨骼層與海綿狀水凝膠層。3D打印的穿孔骨骼層由密集穿孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成，既為關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又為液體流動(dòng)提供路徑。而由海綿狀PVA水凝膠制成的多孔層可允許培養(yǎng)基滲透，并在真皮層下方充當(dāng)機(jī)械緩沖層，模擬體內(nèi)皮下脂肪的功能。

圖3. 透水凝膠層的力學(xué)和結(jié)構(gòu)表征。

骨架層通過(guò)鋼絲驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。而水凝膠層采用凍融法制備，并添加海藻酸鈉以提高孔隙率。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使培養(yǎng)的真皮組織能夠圍繞水凝膠支撐物收縮，長(zhǎng)期保持其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。其次，滲透性測(cè)試表明，海綿狀PVA水凝膠能夠保持水分并允許不同分子量的物質(zhì)擴(kuò)散，進(jìn)一步表明了其在營(yíng)養(yǎng)輸送方面的有效性（圖4）。與圍繞剛性機(jī)器人骨架培養(yǎng)的真皮組織相比，圍繞水凝膠支撐物培養(yǎng)的真皮組織表現(xiàn)出顯著的抗干燥能力，證實(shí)了水凝膠在維持組織水分中的作用（圖6）。

圖5. 帶雙層可滲透皮下支撐的覆皮型機(jī)器人手指的制造。

圖6. 內(nèi)部水化支架防干性能評(píng)價(jià)。

總結(jié)：本研究提出了一種新型水合補(bǔ)充方法，通過(guò)在皮膚組織下方集成雙層可滲透皮下支撐結(jié)構(gòu)，用于空氣環(huán)境中覆皮型機(jī)器人手指。海綿狀PVA水凝膠層展現(xiàn)出足夠的滲透性，可有效防止真皮組織干燥，從而可能增強(qiáng)其在空氣中的存活能力。具體而言，本研究為提升覆皮型機(jī)器人在暴露空氣環(huán)境中的耐用性和功能性提供了一種可行方法，對(duì)生物混合機(jī)器人學(xué)及醫(yī)療應(yīng)用的未來(lái)發(fā)展具有重要意義。