中国の科学者が「本物の皮膚」を開発：傷は1時間以内に完全に治癒

制作：中国科学普及協会

著者: Pan Baohai、Ying Wu Bin (中国科学院寧波材料工学研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

ロボットが人間に似ているほど、その技術的内容も高くなるという感覚が常にあります。

これは人間のナルシシズムではありません。生命は自然界で最も複雑で洗練された「機械」です。自然界の生物を模倣し、科学技術の進歩を象徴します。

ロボット技術の発展に伴い、人間によるヒューマノイドロボットの需要が高まっています。これは、ロボットが人間ができないタスクを完了できるだけでなく、ロボットが人間の外見や動きをシミュレートできるため、人間が受け入れやすくなるためでもあります。

しかし今、ロボットについて考えるとき、最初に思い浮かぶのはやはり冷たい金属の表面です。ロボットを本物の人間に近づけるためには、「皮膚」の部分に力を入れる必要があります。ここで鍵となる技術は、私たちが今日紹介する「人間のような皮膚」、別名イオン皮膚です。

想像を絶する「リアル」イオンスキン

イオンスキンの能力はあなたの想像を超えるかもしれません。人間の皮膚の構造と特性をシミュレートできます。弾力性があるだけでなく、力にも耐えることができます。

イオンスキンは、生体適合性ポリウレタン素材とイオン液体で構成された生体模倣素材です。この材料は外部からの力や圧力を感知し、回路システムに信号を送信することで、システムが関連データを記録したり、応答したりできるようにします。

名前の通りイオンスキンなのでイオンに関係があるのでしょうか？それは本当だ。

人体の感覚システムは、信号を伝達するために Na+ と K+ の血漿に依存していることがわかっています。外的な力によって表皮細胞の内外のイオン濃度に差が生じると、人はそれを感知することができます。イオンスキンはイオンの状態を検知することで外部からのストレスも検知します。つまり、外力の作用により物質内のイオンの状態が変化し、電気信号に変化が生じます。

人間の皮膚の構造とイオン皮膚の設計コンセプト（画像出典：著者自作）

イオンスキンの応用シナリオもあなたの想像を超えるかもしれません。ロボット工学やウェアラブル医療機器の分野で幅広い応用価値を持っています。ロボット工学の分野では、イオン皮膚によりロボットの知能が向上し、人間とのやり取りがしやすくなります。ウェアラブル医療の分野では、イオン皮膚は人間の健康状態を監視し、特定の病気を治療するために使用できます。

しかし、イオン皮膚は人間の皮膚の特定の特性をシミュレートできますが、現時点では人間の皮膚の代わりに直接使用することはできません。これは、イオンスキンの材料と製造プロセスがまだ十分に成熟しておらず、電子信号と人間の脳の相互作用に関する研究が十分に深くないためであり、さらなる研究と改善が必要です。

自己治癒力と超敏感性を備えた新しいイオンスキン

中国科学院寧波材料工学研究所も新型イオンスキンを開発した。この新しいタイプのイオンスキンは、力に耐えて変形できるという元のイオンスキンの特性を備えているだけでなく、超敏感で、損傷しても自己修復することができます。

（動画出典：著者提供）

明らかに人工素材ですが、人間の皮膚のように自己修復できるのでしょうか？すごいですね！では、新しいイオン皮膚はどのようにして自己治癒特性を実現するのでしょうか?

鍵となるのは、材料に導入された動的ジスルフィド結合です。動的ジスルフィド結合は常に切断と再結合の動的平衡状態にあります。傷が形成されると、傷の近くのジスルフィド結合の切断と再結合により、傷の両側の物質が再び結合します。これにより、「人間のような」皮膚の自己治癒が可能になります。

この新しいタイプのイオンスキンは、自己治癒力があるだけでなく、非常に敏感です。生物の触覚細胞に類似したイオン信号伝達システムをシミュレートし、力の変化に応じてイオン伝導体内のイオン分布を制御し、触覚知覚を最大化します。

自己治癒の原理は単純なようですね？早く治った方が良いでしょうか？

研究者の目標は自己治癒するイオン皮膚の開発ですが、この新しい素材は治癒が速すぎるため（ベルサイユではそうではありません）、研究者にちょっとしたトラブルを引き起こしています。

この材料の開発中は、顕微鏡下で傷の自己治癒挙動を観察する必要があります。切断するたびにさまざまなパラメータをリセットする必要があり、材料の修復が速すぎるため、研究者は常に重要な詳細を見逃すことになります。最終的に、完全な自己修復プロセスのビデオを取得するには、テスト機器を改良する必要がありました。

（動画出典：著者提供）

結論

イオン皮膚は人間の皮膚の構造と特性を模倣することができ、自己治癒能力を備えているため、人間の健康状態を監視し、特定の病気を治療するために使用できます。同時に、イオン皮膚の力に対する感度は、ヒューマンマシンインターフェースデバイスの開発に新たな可能性をもたらします。

イオンスキンの材料や製造プロセスはまだ成熟していませんが、今後の研究でイオンスキン技術がより広く使用され、さらに改善されるものと考えています。つまり、イオン皮膚の研究は、人間とロボットの相互作用と協力を促進し、人間の健康をよりインテリジェントかつ効果的に保護することになります。

参考文献:

[1] https://www.nature.com/articles/s41467-022-35434-8

編集者：郭 雅新