盡管現(xiàn)有研究已在皮膚等效物中成功構建灌注通道，然而這些技術主要適配平面二維結構，難以匹配機器人本體復雜的三維曲面形態(tài)。此外，多孔支架雖能促進內部營養(yǎng)輸送，但其移植導向的設計初衷導致難以整合關節(jié)結構——而關節(jié)恰是實現(xiàn)機器人動態(tài)運動與靈活性的核心需求。
在生物系統(tǒng)中，血管網(wǎng)絡通過持續(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器人設計了雙層皮下支撐結構：培養(yǎng)液經(jīng)泵送系統(tǒng)注入機器人手指內部的灌注通道，再通過該結構輸送至皮膚組織（圖1b）。該支撐結構由功能互補的兩層組成：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)狀結構構成，既為關節(jié)運動提供結構強度，又為液體流動提供路徑。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機械緩沖層，模擬體內皮下脂肪的功能。
圖3. 透水凝膠層的力學和結構表征。
骨架層通過鋼絲驅動機構實現(xiàn)關節(jié)運動。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。這種結構設計使培養(yǎng)的真皮組織能夠圍繞水凝膠支撐物收縮，長期保持其結構的穩(wěn)定。其次，滲透性測試表明，海綿狀PVA水凝膠能夠保持水分并允許不同分子量的物質擴散，進一步表明了其在營養(yǎng)輸送方面的有效性（圖4）。與圍繞剛性機器人骨架培養(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，證實了水凝膠在維持組織水分中的作用（圖6）。
圖4. 雙層皮下支架的保水性和滲透性。
圖5. 帶雙層可滲透皮下支撐的覆皮型機器人手指的制造。
圖6. 內部水化支架防干性能評價。
總結：本研究提出了一種新型水合補充方法，通過在皮膚組織下方集成雙層可滲透皮下支撐結構，用于空氣環(huán)境中覆皮型機器人手指。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，從而可能增強其在空氣中的存活能力。具體而言，本研究為提升覆皮型機器人在暴露空氣環(huán)境中的耐用性和功能性提供了一種可行方法，對生物混合機器人學及醫(yī)療應用的未來發(fā)展具有重要意義。
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