用于机器人持续且重复运动的食用充气电池

《Advanced Science》：Edible Pneumatic Battery for Sustained and Repeated Robot Actuation

本研究设计了一种可降解的气动电池和阀门系统，利用食醋和碳酸氢钠的中和反应产生二氧化碳气体，驱动可食用气动执行器。系统包含可降解电池（储存食醋和碳酸氢钠）、阀门（通过滑片调节压力释放）和执行器，能实现持续重复的弯曲运动。电池尺寸可调（30-50毫米直径），操作时间达650秒，二氧化碳生成速率0.1-1.4×10?3mol/s。通过调整滑片角度和流体阻力，可编程控制执行器的运动范围和频率。该系统已验证可用于可食用机器人，例如模拟猎物行为的吸引装置，为野生动物疫苗投放等应用提供基础。

　　这项研究提出了一种创新的可食用能源存储和阀门系统，旨在为气动驱动的可食用机器人提供动力。该系统基于酸碱中和反应，利用食品级反应物——柠檬酸和碳酸氢钠，在重力作用下发生反应，生成稳定的二氧化碳气体。这种气体能够驱动连接的可食用气动执行器，实现重复且持续的弯曲运动。整个系统完全由可食用材料构成，不仅具有环境友好性，还能实现自我持续的运动模式，展现出在软体机器人领域的独特潜力。

传统上，软体机器人和可生物降解设备依赖于非生物降解的气源，例如压缩机或气罐，这些装置虽然能提供动力，但存在环境污染和毒性问题。相比之下，可食用系统能够通过简单的化学反应产生所需气体，同时确保材料的安全性和可降解性。本研究中所使用的柠檬酸和碳酸氢钠均是食品级成分，其反应产物——柠檬酸钠、水和二氧化碳气体，也均无毒且可被人体安全消化。这种设计不仅避免了传统能源装置带来的生态负担，还使得机器人能够在无需外部电源或复杂机械结构的情况下自主运作。

系统的可调节性是其另一大亮点。通过调整反应物的浓度、阀门的开口大小以及气流通道的阻力，可以控制气体的生成速率和执行器的运动模式。这种可编程性使得该系统能够适用于多种应用场景，例如根据目标动物的体重和肌肉力量调整气动电池的触发机制，从而实现更精确的运动控制。此外，气动电池的尺寸可以灵活调整，直径范围为30至50毫米，操作时间从20秒到650秒不等，二氧化碳生成速率则在0.1至1.4×10?3摩尔每秒之间。这些特性表明，该系统具有良好的可扩展性，可以满足不同规模和复杂度的应用需求。

系统的核心在于其设计的气动电池和可食用阀门。气动电池通过重力使柠檬酸与碳酸氢钠混合，从而持续释放二氧化碳气体。而阀门则利用了一种独特的机制，当内部压力达到某个阈值时，阀门会自动开启，释放气体并使执行器恢复原状。这种阀门结构基于可食用的凝胶材料，通过一个圆弧形的裂口实现气体释放。在压力释放后，阀门迅速闭合，确保气体能够循环利用，从而实现连续的运动。这种设计不仅简化了系统的结构，还避免了传统阀门可能带来的污染问题。

为了验证该系统的有效性，研究团队构建了一个完全可食用的原型，并将其应用于一个模仿猎物行为的机器人系统。当动物踩踏气动电池的顶部时，会触发反应，释放气体并驱动执行器产生重复的弯曲动作，从而吸引捕食者。这种设计特别适用于需要在野外环境中部署的机器人，例如用于向隐蔽的野生动物提供营养或疫苗的系统。通过这种方式，机器人可以作为一种吸引机制，帮助研究人员或野生动物管理者在不直接接触动物的情况下完成任务。该系统的设计不仅考虑了机械性能，还充分考虑了对目标物种的适应性，例如通过调整气动电池的尺寸和触发压力，使其更符合不同动物的生理特征。

尽管该系统在许多方面表现出色，但仍存在一些挑战。例如，系统的整体质量较大，特别是当使用较大的胶囊尺寸时，其质量占比（即能量源质量与整个系统质量之比）高达51.5%。对于需要移动的机器人而言，过大的质量可能会限制其运动能力，影响其在自然环境中的适应性。因此，研究团队提出了一些优化方案，例如改进胶囊结构设计，使其在较小的孔径下也能实现高效的柠檬酸释放，或者引入一种可食用的抗泡剂，以减少泡沫对气体流动的阻碍。这些改进措施有助于降低系统的整体质量，使其更适用于移动型机器人。

此外，研究团队还对系统的性能进行了详细分析。他们通过改变柠檬酸浓度、阀门的开口角度以及气流通道的长度，测试了系统在不同条件下的表现。实验结果表明，更高的柠檬酸浓度、更小的孔径和更大的胶囊尺寸可以延长系统的运行时间，但也会导致气体释放速度的降低。相反，更大的孔径和更长的气流通道可以加快气体释放，从而实现更快的执行器运动。然而，当孔径超过一定范围时，系统的模拟结果与实际测量值之间出现了偏差，这可能是因为阀门的动态行为未能完全被模型所捕捉。因此，未来的研究可能需要进一步优化模型，以更准确地预测系统在高气体流速下的行为。

该系统还具有显著的环境优势。由于其完全由可食用材料构成，系统在使用后可以自然降解，不会留下任何有害的废弃物。这一特性使其在生态友好型技术领域具有广阔的应用前景。例如，它可用于开发用于环境监测、农业害虫控制或医疗应用的可食用机器人。在医疗领域，该系统可以作为可生物降解的微型装置，用于药物输送或手术辅助设备，避免传统设备可能带来的污染和二次处理问题。

为了进一步提高系统的稳定性和寿命，研究团队建议采用更具抗水性的材料，例如通过在凝胶材料中添加食用盐或离子液体，以减少水分蒸发带来的体积收缩。这将有助于维持阀门的性能，确保其在长时间运行中依然能够准确地控制气体释放。此外，系统中的连接部件虽然目前使用非可食用材料，但未来可以通过完全可食用的替代方案进行优化，以实现更彻底的生物降解。

总的来说，这项研究为可食用机器人领域提供了一种全新的动力解决方案。它不仅克服了传统能源系统在环保和安全性方面的不足，还通过可调节的参数设计，实现了对执行器运动的精确控制。未来，随着材料科学和生物工程的进一步发展，这类系统有望在更多实际应用中发挥作用，推动可食用机器人技术向更广泛的应用场景扩展。