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本文介绍了一种双闭环机器人系统，将可生物降解的材料（如增塑纤维素薄膜、NaCl 注入的离子导电明胶有机凝胶）应用于折纸机器人。该系统实现材料从加工到降解的闭环生态循环，支持人机协作遥操作，为软机器人可持续发展提供新方向。
### 引言
机器人按材料可分为刚性和柔性机器人，柔性机器人常用合成橡胶材料，但其生产过程和产品存在可持续性问题，开发更稳定、可持续材料及创新设计方法很有必要。基于折纸技术将二维刚性薄片转化为三维结构的方法备受关注，纤维素作为丰富可再生资源，其薄膜虽有优势但存在脆性问题。本文通过开发机械性能强的纤维素薄膜和粘性离子导电明胶有机凝胶，构建了可持续、可生物降解且自感应的折纸机器人，形成了闭环软机器人系统。
结果
- 可持续且机械性能强的纤维素薄膜：将纤维素溶解在 NaOH / 尿素水溶液中，经浇铸、再生形成半透明纤维素水凝胶，再用甘油增塑得到透明增塑纤维素薄膜。土壤降解测试表明，增塑纤维素薄膜可生物降解，8 周时重量损失达 98.8% ，而 PET 无降解。生命周期评估（LCA）显示，增塑纤维素薄膜在全球变暖潜势（GWP）等指标上有优势。ATR-FTIR 和 WAXD 分析证实了甘油与纤维素链的相互作用。
- 可持续且可靠的折纸结构：撕裂测试显示，增塑纤维素薄膜断裂能比原始薄膜高 70% 。拉伸测试表明，增塑使纤维素薄膜拉伸强度和杨氏模量降低，但断裂伸长率显著增加，且具有高柔韧性和出色的热机械稳定性。分子动力学（MD）计算揭示了纤维素 - 甘油相互作用和增塑机制。用增塑纤维素薄膜构建的 Kresling 折纸结构在压缩测试中表现出高稳定性和可靠性。
- 自感应折纸结构：通过混合加热明胶等添加剂制备可持续的盐注入明胶有机凝胶，其具有高拉伸性、良好的机械稳定性和粘附性。基于明胶有机凝胶的传感器在弯曲变形下电阻变化稳定，与 Kresling 折纸结构集成形成的自感应折纸模块，在压缩测试中传感性能优异，稳定性和耐久性良好。
- 闭环软机器人系统：由自感应折纸模块构建的摇臂和机械臂组成闭环软机器人系统，可实现人机交互和遥操作任务。摇臂受压产生不同信号，可远程控制机械臂的收缩、伸展和弯曲，机械臂变形由自感应模块捕获并反馈，实现实时监控，增强了操作性和响应性。
讨论
本文构建的双闭环折纸机器人系统环保且功能多样，未来可从开发高性能可持续材料、规模化生产方法和替代驱动方法三方面拓展研究，以提升机器人系统性能，推动可持续软机器人发展，助力实现更可持续的未来。
材料与方法
- 化学试剂和材料：使用湖北化学纤维有限公司的棉短绒浆作为纤维素来源，其他化学试剂购自国药集团化学试剂有限公司，均直接使用。
- 可持续纤维素薄膜的制备：将棉短绒浆加入预冷的 NaOH / 尿素溶液，搅拌得到纤维素溶液，浇铸、凝固后用甘油处理，干燥得到不同厚度的增塑纤维素薄膜，同时制备原始纤维素薄膜作对照。
- 可持续明胶基离子导电凝胶和传感器的制备：按改进方法制备明胶基离子导电凝胶，将其与增塑纤维素薄膜集成，制备离子导电明胶有机凝胶基传感器，并储存于湿度室。
- 自感应 Kresling 折纸和机械臂的制备：用激光切割增塑纤维素薄膜制成 Kresling 折纸单元，集成明胶有机凝胶形成自感应单元，串联四个单元得到自感应 Kresling 折纸机械臂。
- 材料表征：使用多种仪器和方法对材料的力学性能、化学结构等进行表征。
- 生命周期评估：依据 ISO 标准，用 Simapro 软件和 CML 2001 方法评估纤维素薄膜的生命周期环境影响。
- MD 模拟：用 Materials Studio 软件构建模型，设置参数进行模拟，分析纤维素和甘油的相互作用。
- FEA 模拟：用 ABAQUS-Explicit 对 Kresling 折纸结构进行压缩模拟，设置材料参数和边界条件。
- 土壤降解测试：将 PET、纸和增塑纤维素薄膜埋入土壤，定期取出测量重量损失和观察形态变化。
- 传感器表征：搭建自动测试平台，用数据采集单元采集传感器在不同条件下的电性能数据 。
