食用級材料製作、可完全分解的機器人能吃嗎?

作者 | 發布日期 2020 年 06 月 30 日 7:30 | 分類 尖端科技 , 材料 , 機器人 Telegram share ! follow us in feedly


用可食用材料做一個機器人,大小與外形就和一顆膠囊差不多,這樣的機器人能食用嗎?

如果能吃,你對它的期待是怎樣的?Q 爽彈牙、油而不膩、入口即化?

等等,好像和機器人的人設不太相符。應該是:遇熱自動伸展、可受磁鐵控制,進入體內後不僅會像跳跳糖一樣尬舞,還能將誤吞食的電池取出來!

2016 年國際機器人與自動化大會上,就有這樣一款可食用膠囊機器人重量級亮相。時隔 4 年後,奧地利約翰開普勒林茲大學的一組研究人員也發明了一種「可食用」機器人。

製作這款機器人,使用的是基於食用級材料明膠的通用生物凝膠。

這個看上去有點眼熟的機器人也有點卑微──不僅可被人吃,還能在幾個小時內被污水中的微生物吃(分)掉(解)。

在題為 《Resilient yet entirely degradable gelatin-based biogels for soft robots and electronics(用於製造軟體機器人等電子產品的有彈性、可完全降解的明膠基生物凝膠)》的論文中,研究團隊詳細介紹了這款機器人和它背後的神奇材料。

基於明膠的新型材料

論文中,研究人員開門見山:

材料驅動技術進步。

目前,用於軟體機器人和可拉伸電子器件的生物主要為可降解和生物相容彈性材料,具有一系列特性,如:優良的機械性能、可調諧性、可變更性、可自癒性。

但研究團隊認為,這種材料在環境中並不耐用,無法將所有特性同時體現在一個產品或平台中。因此研究團隊開發了一種多功能明膠基生物凝膠。這種材料彈力很強,可自我黏附、快速癒合、易於複製和縮放,能在處理時完全降解。

據了解,這種材料完全由天然成分和食品級安全材質構成,其中包括:

  • 明膠:可被人體完全降解。
  • 檸檬酸:可阻止細菌生長。
  • 甘油:可防止細菌滋生及脫水。

這裡值得一提的是研究人員對於基本成分的選擇過程。

據論文介紹,研究人員為確定一種成分,對多種聚酯纖維和水凝膠成分做了對比,主要考慮的因素包括使用期限、機械性能、成本、可加工性、可合成性和降解能力。

經對比,研究人員最後選定了明膠(上表最下面一行)。

之所以會用到明膠,就在於基於明膠的生物凝膠容易得到、無需合成,可以添加水溶性添加劑;同時,由於降解速率快,不僅對環境無害,甚至還可食用。

很多人對明膠並不陌生,從食品、化妝品到藥品,明膠可謂無處不在;同時,明膠也已經用於藥物遞送和骨骼組織工程等領域,比如 3D 列印器官和製造機器人。

為測試降解能力,研究團隊將製成的生物凝膠片浸入 23°C 的去離子水中,發現數小時後生物凝膠片便會溶解(如下圖 c 所示)。

正因如此,研究團隊表示,這種生物凝膠十分適合臨時安裝和需經常更新的場景,一經觸發,將在幾天內分解,可在瞬態裝置中獲益。

除此之外,研究團隊還透過廢水中微生物的生物需氧量(BOD)來測量生物凝膠的完全需氧分解能力。結果表明,10 天可除去 60% 有機化合物(如下圖 d 所示)。因此,基於該團隊研製的生物凝膠,或許研究人員可以開闢水中、體內生物可降解應用的新途徑。

(Source:Nature Materials,下同)

可循環逾 33 萬次的機器人

研究團隊在論文中寫道:

這種生物凝膠向打造持久的、可持續的軟體機器人和電子系統邁進了一步。

那麼,基於上述材料製作出的機器人是怎樣的呢?

外形上,研究人員受到了大象的啟發。當然了,不僅是外形類似大象,由於集成了可反饋和控制的感測器,機器人的象鼻子也能抓住物體。材料上,研究人員在生物凝膠的基礎上,結合了纖維素、鋅等天然衍生材料。

其中,纖維素是一種常見的結構多醣,被用做動態環境中的柔性氣動生物凝膠致動器外骨架(上圖 a 部分)。而將生物凝膠與結構化鋅電極相結合,可使電子皮膚(新型可穿戴柔性仿生觸覺感測器)完全降解(上圖 b 部分)。

因此,從機器人原件到可延伸電子裝置,整個系統都是可生物降解的。研究團隊也稱:

這為未來模擬我們自己皮膚的生物醫學裝置鋪平了道路。

上文提到,生物凝膠能在廢水中處理時完全降解,所以可能會有人質疑這款機器人的機械性能。

考慮到這一點,研究團隊也解釋,生物凝膠可在環境條件下保持其機械性能一年以上;在沒有失效的情況下,軟制動器可承受超過 33 萬次的循環。

此外,研究團隊表示,未來可用這款機器人在動物體內輸送藥物。

論文合著者之一 Martin Kaltenbrunner 曾發問:

我們能否同時開發出一種使用時非常可靠、觸發時又會完全降解的材料?

現在看來,團隊用其成果給出了答案。

Last but not least,回答一個重要問題,機器人能食用嗎?

根據研究團隊的說法,雖然生物凝膠可食用,但這款機器人的電子原件和感測器目前還不能食用。

實際上,早在 2017 年,洛桑聯邦理工學院智慧系統實驗室就推出了一款外形酷似軟糖的可食用機器人,可完全食用,也是由明膠製成。

(Source:EPFL

這種機器人能夠與營養品、藥物等成分混合,被人體消化和代謝,我們可以把機器人等同於一種食物。

可見,這款被稱為醫療黑科技的機器人是能被我們吃掉的,而在安全性方面,IEEE Spectrum 編輯 Evan Ackerman 的一句話也讓我們吃了一顆定心丸:

據我們所知,截至目前,還沒有一個可食用機器人在被人吃過以後,自己從人們的胃裡爬出來過。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:影片截圖)