据估计，到2025年，英国每天将产生600万吨垃圾，其中高科技一次性废物是快速增长的贡献者。报废电器含有不易回收的贵重物质，以及可通过垃圾填埋场或不当处理释放到自然界中的有毒物质。生物材料具有自愈性和可生物降解性，这为它们提供了更多的应用空间。人类将开发一系列仿生系统，包括软机器和电子皮肤，通过引入自愈，拉伸性，结合软硬材料来实现高水平的功能。然而，将拉伸性引入可降解设备仍然具有挑战性。
明胶基凝胶是一种有前途的选择，因为它们无需合成即可获得，可以添加水溶性添加剂，降解迅速，环保，甚至可以食用。然而，当凝胶在空气中拉伸并快速干燥时，它会变硬并限制使用可穿戴设备或软机器人组件的稳定性和耐用性。而且，由于材料性能控制困难，拉伸能力有限，导致只有少数驱动循环性能下降。
在这里，本文提出了一种广泛适用的生物凝胶制造方法，设计规则和一组概念，这些概念将弹性和可持续（软）机器人和电子产品的挑战性需求整合到一个平台上。受头足类动物等复杂生物的启发，生物凝胶与纤维素和锌等天然衍生材料相结合，用于从机器人组件到可拉伸电子组件的全生物降解设备。该凝胶基于天然材料作为可生物降解的基材，包括耐用，自粘，可拉伸，机械可调和自愈。虽然凝胶在废水中完全可降解，但在环境条件下仍能保持其机械性能超过一年，并使软致动器能够运行超过330，000次而不会出现故障。其扩大的生产，低材料成本和所有制造步骤的安全性将使其能够使用广泛的应用，从工业到医疗保健再到教育。
纤维素作为一种通用结构多糖，可用作专为动态环境设计的软气动生物凝胶致动器的外骨骼（图1a）。生物凝胶与锌电极结合，制成完全可降解的传感器皮肤（图1b）。机械弹性生物凝胶是应用中临时安装或频繁更新瞬时设备的理想材料，因为它可以在几天内分解（图1c）。废水细菌在5天内酶化生物凝胶，不会对环境造成损害。
图1 - 弹性和完全可降解的生物凝胶。
组件的组合，每个组件都有不同的用途，用于生物降解和高机械性能。凝胶的主要聚合物网络是明胶，它决定了材料的模量（E），糖（纤维素）的加入提高了材料的延展性。通过调节生物凝胶中水和甘油的比例，可以获得稳定的机械性能和工艺条件，柠檬酸可以防止细菌的生长。
从电子皮肤到机器人，各种新兴的软机电系统都需要一套可靠耐用的材料和易于调整的机械性能。该纸通过调整凝胶的量来调整生物凝胶的E和极限（工程）应力，即30至300 kpa和10至140 kpa，两者都随着凝胶浓度呈指数级增长（图2a）。同时，极限应变（'u'）从180%应变线性增加到325%应变（图2b）。明胶浓度的进一步增加可以产生更高的E值（3.1 MPa）和nio u的值增加（1.86MPa），但在一定程度上产生eu的值（254%）。加入28%重量%的糖，使生物凝胶具有高度的延展性，鼻涕虫和鼻涕虫同时增加（图2c，d）。添加糖（和甘油）作为溶剂可促进明胶中的螺旋-螺旋结合，增强凝胶化，并在热力学上稳定凝胶。同时，这些螺旋-螺旋组合在高变形下脱绑导致拉伸性增加。
图2 - 明胶生物凝胶的可调节性，稳定性和力学。
为了克服在环境条件下使用时由于游离水损失而导致的水凝胶脱水 - 用非挥发性食品添加剂甘油代替大量水，以减少生物凝胶中的游离水。降低水甘油比可延长储存时间和稳定性，而不会影响机械性能（图2e，f，g）。这些条件的优化允许制备具有稳定形状的器件（图2h）。一年多来没有观察到材料降解的迹象，但这些实验只是由于时间限制而停止，这表明生物凝胶在更长的时间内是稳定的。
添加柠檬酸可降低pH值并抑制细菌生长，而不会影响其拉伸性。通过选择组合物浓度，可以设计出可变形和弹性的生物凝胶，该生物凝胶不会变干，适用于软机器人应用，并且可以在20-80%RH湿度范围内操作。通过将生物凝胶膨胀成气球形状进行两轴拉伸测试（图2j），应变超过1000%。
图3 - 用于软件执行器的弹性生物凝胶。
该生物凝胶具有高性能和生物降解性的独特组合，使其适用于软件（生物）机器人，医疗设备和工业机器人中的应用。这里展示了受大象鼻子启发的软气动执行器的潜力。气动驱动执行器的S形运动在其尖端达到10厘米的最大位移（图3a）。本文选取了S形和U形运动两种模式设计，模拟了起重机的提升和抓取运动。通过对连接到力传感器的板施加恒定压力来监控驱动循环次数，以扩展U形执行器。由高水/甘油生物凝胶（G2420）制成的执行器可以连续执行10，000次循环（连续执行约10小时），并且在中等耐久性应用中具有足够的应用前景。具有低水/甘油比（G2430）的执行器非常耐用，即使在60，000次循环后也不会失效。通过力调整设置（调整驱动压力和频率）将循环寿命延长 330，000 倍以上，而不会出现故障（图 3 c）。即使在水下涂抹食用油后，执行器也能工作1.5小时和2000次循环。
执行器可以在16mm的距离内抓取和提升各种平面或曲线形状的物体，最大可达120g。U形设计使弯曲角为286度（图3），对应于232%的最大线性应变。通过施加50 kPa的压力，可以获得281度的全范围弯曲角度（图3g）。使用食品添加剂 - 脂肪酸的单甘油酯和甘油大酯（E471）在生物凝胶的体积中产生稳定的气泡。夹在两个锌电极之间的泡沫充当可变形电容器（图3h），允许致动器对玫瑰刺痛等障碍物做出反应。施加载荷以压缩软泡沫中的空隙（图3i）并接近两个电极，导致电阻变化（图3j）。
生物凝胶为可生物降解的软电子提供了一个自粘平台，使其粘附在各种表面上，而无需额外的粘合剂。图4显示了一个自主传感器贴片，该贴片使用可调生物凝胶的热塑性快速组装。
图4 - 可生物降解的电子传感器贴片。
生物凝胶的愈合或组装是通过在裂缝或切口附近对红外激光进行短暂的局部熔化来完成的（图4a）。在不到10分钟的处理时间内对生物凝胶进行激光修复，完全恢复了其原始的机械性能（图4b）。使用激光辅助快速愈合（LARH）将组件级模量凝胶与具有不同E值（1.4，0.4和0.2 MPa）的生物凝胶组装在一起。这种模具级生物凝胶的单轴拉伸将最硬部分的应变减少了90%，总应变为50%（图4c）。LARH的快速装配可实现复杂的3D形状，例如三叶结（图4d），或者可以为可拉伸电子设备定制复杂的基板。使用该生物凝胶制备了可生物降解，可拉伸，多模态电子皮肤，带有温度，湿度和应变响应传感器（图4e）。该传感器由锌箔或温度敏感浆料制成，使用锌弯头拉伸至50%单轴应变，当拉伸至20%时，其电阻不会改变，可承受1000多次循环。传感器数据通过安装在生物凝胶上的可重复使用的柔性印刷电路板（PCB）进行无线记录，分析和传输。
由巴西棕榈蜡和石墨粉混合物制成的温度传感器在10至40摄氏度的温度范围内显示出近乎线性的电阻响应（图4f）。湿度传感器设计为数字电极，随着RH的增加，其阻抗呈指数级下降（图4g）。通过增加手指间距等，凝胶上的电极可以以更大的方式移动，从而使应变传感器具有线性响应，并且在环路拉伸中没有滞后（图4h）。传感器皮肤监测热杯附近的温度变化（图4i）、湿度变化（图4j）或皮肤变形（图4k）。当运动和出汗时，即使运动强度增加，生物凝胶也会粘附在人体皮肤上。佩戴7小时后无皮肤刺激迹象。与皮肤的长时间接触并没有改变生物凝胶的机制，即使在4天的日常活动中累积磨损38小时后，生物凝胶的机制也保持不变。如果与滑石粉一起使用，可以实现不粘性。
基于电容式可生物降解压力传感器的概念，设计了一种压敏电子皮肤阵列，可通过1 mm厚的生物凝胶泡沫和4×4基质锌箔电极拉伸（图4m，n）。可伸缩压力传感器阵列通过柔性PCB记录读数（图4O）。除了能够量化单个特定传感器上的负载外，压力传感器阵列还可以检测具有复杂形状的物体（图4p，q）。在环境条件下储存时，电子表皮可保持功能一年以上。
综上所述，本文介绍了一套可生物降解、有弹性的软体机器人、电子皮肤和保健材料，这些材料具有可固化、可变形、自粘性和抗脱水性。利用论文的设计方法，制备了一套新型耐用、可生物降解的软致动器和具有多模态传感能力的自主电子平台。
论文链接
https://www.nature.com/articles/s41563-020-0699-3