據估計，到2025年，英國每天将産生600萬噸垃圾，其中高科技一次性廢物是快速增長的貢獻者。報廢電器含有不易回收的貴重物質，以及可通過垃圾填埋場或不當處理釋放到自然界中的有毒物質。生物材料具有自愈性和可生物降解性，這為它們提供了更多的應用空間。人類将開發一系列仿生系統，包括軟機器和電子皮膚，通過引入自愈，拉伸性，結合軟硬材料來實作高水準的功能。然而，将拉伸性引入可降解裝置仍然具有挑戰性。
明膠基凝膠是一種有前途的選擇，因為它們無需合成即可獲得，可以添加水溶性添加劑，降解迅速，環保，甚至可以食用。然而，當凝膠在空氣中拉伸并快速幹燥時，它會變硬并限制使用可穿戴裝置或軟機器人元件的穩定性和耐用性。而且，由于材料性能控制困難，拉伸能力有限，導緻隻有少數驅動循環性能下降。
在這裡，本文提出了一種廣泛适用的生物凝膠制造方法，設計規則和一組概念，這些概念将彈性和可持續（軟）機器人和電子産品的挑戰性需求整合到一個平台上。受頭足類動物等複雜生物的啟發，生物凝膠與纖維素和鋅等天然衍生材料相結合，用于從機器人元件到可拉伸電子元件的全生物降解裝置。該凝膠基于天然材料作為可生物降解的基材，包括耐用，自粘，可拉伸，機械可調和自愈。雖然凝膠在廢水中完全可降解，但在環境條件下仍能保持其機械性能超過一年，并使軟緻動器能夠運作超過330，000次而不會出現故障。其擴大的生産，低材料成本和所有制造步驟的安全性将使其能夠使用廣泛的應用，從工業到醫療保健再到教育。
纖維素作為一種通用結構多糖，可用作專為動态環境設計的軟氣動生物凝膠緻動器的外骨骼（圖1a）。生物凝膠與鋅電極結合，制成完全可降解的傳感器皮膚（圖1b）。機械彈性生物凝膠是應用中臨時安裝或頻繁更新瞬時裝置的理想材料，因為它可以在幾天内分解（圖1c）。廢水細菌在5天内酶化生物凝膠，不會對環境造成損害。
圖1 - 彈性和完全可降解的生物凝膠。
元件的組合，每個元件都有不同的用途，用于生物降解和高機械性能。凝膠的主要聚合物網絡是明膠，它決定了材料的模量（E），糖（纖維素）的加入提高了材料的延展性。通過調節生物凝膠中水和甘油的比例，可以獲得穩定的機械性能和工藝條件，檸檬酸可以防止細菌的生長。
從電子皮膚到機器人，各種新興的軟機電系統都需要一套可靠耐用的材料和易于調整的機械性能。該紙通過調整凝膠的量來調整生物凝膠的E和極限（工程）應力，即30至300 kpa和10至140 kpa，兩者都随着凝膠濃度呈指數級增長（圖2a）。同時，極限應變（'u'）從180%應變線性增加到325%應變（圖2b）。明膠濃度的進一步增加可以産生更高的E值（3.1 MPa）和nio u的值增加（1.86MPa），但在一定程度上産生eu的值（254%）。加入28%重量%的糖，使生物凝膠具有高度的延展性，鼻涕蟲和鼻涕蟲同時增加（圖2c，d）。添加糖（和甘油）作為溶劑可促進明膠中的螺旋-螺旋結合，增強凝膠化，并在熱力學上穩定凝膠。同時，這些螺旋-螺旋組合在高變形下脫綁導緻拉伸性增加。
圖2 - 明膠生物凝膠的可調節性，穩定性和力學。
為了克服在環境條件下使用時由于遊離水損失而導緻的水凝膠脫水 - 用非揮發性食品添加劑甘油代替大量水，以減少生物凝膠中的遊離水。降低水甘油比可延長儲存時間和穩定性，而不會影響機械性能（圖2e，f，g）。這些條件的優化允許制備具有穩定形狀的器件（圖2h）。一年多來沒有觀察到材料降解的迹象，但這些實驗隻是由于時間限制而停止，這表明生物凝膠在更長的時間内是穩定的。
添加檸檬酸可降低pH值并抑制細菌生長，而不會影響其拉伸性。通過選擇組合物濃度，可以設計出可變形和彈性的生物凝膠，該生物凝膠不會變幹，适用于軟機器人應用，并且可以在20-80%RH濕度範圍内操作。通過将生物凝膠膨脹成氣球形狀進行兩軸拉伸測試（圖2j），應變超過1000%。
圖3 - 用于軟體執行器的彈性生物凝膠。
該生物凝膠具有高性能和生物降解性的獨特組合，使其适用于軟體（生物）機器人，醫療裝置和工業機器人中的應用。這裡展示了受大象鼻子啟發的軟氣動執行器的潛力。氣動驅動執行器的S形運動在其尖端達到10厘米的最大位移（圖3a）。本文選取了S形和U形運動兩種模式設計，模拟了起重機的提升和抓取運動。通過對連接配接到力傳感器的闆施加恒定壓力來監控驅動循環次數，以擴充U形執行器。由高水/甘油生物凝膠（G2420）制成的執行器可以連續執行10，000次循環（連續執行約10小時），并且在中等耐久性應用中具有足夠的應用前景。具有低水/甘油比（G2430）的執行器非常耐用，即使在60，000次循環後也不會失效。通過力調整設定（調整驅動壓力和頻率）将循環壽命延長 330，000 倍以上，而不會出現故障（圖 3 c）。即使在水下塗抹食用油後，執行器也能工作1.5小時和2000次循環。
執行器可以在16mm的距離内抓取和提升各種平面或曲線形狀的物體，最大可達120g。U形設計使彎曲角為286度（圖3），對應于232%的最大線性應變。通過施加50 kPa的壓力，可以獲得281度的全範圍彎曲角度（圖3g）。使用食品添加劑 - 脂肪酸的單甘油酯和甘油大酯（E471）在生物凝膠的體積中産生穩定的氣泡。夾在兩個鋅電極之間的泡沫充當可變形電容器（圖3h），允許緻動器對玫瑰刺痛等障礙物做出反應。施加載荷以壓縮軟泡沫中的空隙（圖3i）并接近兩個電極，導緻電阻變化（圖3j）。
生物凝膠為可生物降解的軟電子提供了一個自粘平台，使其粘附在各種表面上，而無需額外的粘合劑。圖4顯示了一個自主傳感器貼片，該貼片使用可調生物凝膠的熱塑性快速組裝。
圖4 - 可生物降解的電子傳感器貼片。
生物凝膠的愈合或組裝是通過在裂縫或切口附近對紅外雷射進行短暫的局部熔化來完成的（圖4a）。在不到10分鐘的處理時間内對生物凝膠進行雷射修複，完全恢複了其原始的機械性能（圖4b）。使用雷射輔助快速愈合（LARH）将元件級模量凝膠與具有不同E值（1.4，0.4和0.2 MPa）的生物凝膠組裝在一起。這種模具級生物凝膠的單軸拉伸将最硬部分的應變減少了90%，總應變為50%（圖4c）。LARH的快速裝配可實作複雜的3D形狀，例如三葉結（圖4d），或者可以為可拉伸電子裝置定制複雜的基闆。使用該生物凝膠制備了可生物降解，可拉伸，多模态電子皮膚，帶有溫度，濕度和應變響應傳感器（圖4e）。該傳感器由鋅箔或溫度敏感漿料制成，使用鋅彎頭拉伸至50%單軸應變，當拉伸至20%時，其電阻不會改變，可承受1000多次循環。傳感器資料通過安裝在生物凝膠上的可重複使用的柔性印刷電路闆（PCB）進行無線記錄，分析和傳輸。
由巴西棕榈蠟和石墨粉混合物制成的溫度傳感器在10至40攝氏度的溫度範圍内顯示出近乎線性的電阻響應（圖4f）。濕度傳感器設計為數字電極，随着RH的增加，其阻抗呈指數級下降（圖4g）。通過增加手指間距等，凝膠上的電極可以以更大的方式移動，進而使應變傳感器具有線性響應，并且在環路拉伸中沒有滞後（圖4h）。傳感器皮膚監測熱杯附近的溫度變化（圖4i）、濕度變化（圖4j）或皮膚變形（圖4k）。當運動和出汗時，即使運動強度增加，生物凝膠也會粘附在人體皮膚上。佩戴7小時後無皮膚刺激迹象。與皮膚的長時間接觸并沒有改變生物凝膠的機制，即使在4天的日常活動中累積磨損38小時後，生物凝膠的機制也保持不變。如果與滑石粉一起使用，可以實作不粘性。
基于電容式可生物降解壓力傳感器的概念，設計了一種壓敏電子皮膚陣列，可通過1 mm厚的生物凝膠泡沫和4×4基質鋅箔電極拉伸（圖4m，n）。可伸縮壓力傳感器陣列通過柔性PCB記錄讀數（圖4O）。除了能夠量化單個特定傳感器上的負載外，壓力傳感器陣列還可以檢測具有複雜形狀的物體（圖4p，q）。在環境條件下儲存時，電子表皮可保持功能一年以上。
綜上所述，本文介紹了一套可生物降解、有彈性的軟體機器人、電子皮膚和保健材料，這些材料具有可固化、可變形、自粘性和抗脫水性。利用論文的設計方法，制備了一套新型耐用、可生物降解的軟緻動器和具有多模态傳感能力的自主電子平台。
論文連結
https://www.nature.com/articles/s41563-020-0699-3