當(dāng)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)以前所未有的速度蓬勃發(fā)展時(shí)，一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題也隨之而來(lái)：當(dāng)這些不知疲倦的機(jī)械伙伴“生命”終結(jié)后，它們將歸于何處？

電子垃圾，這個(gè)日益沉重的環(huán)境負(fù)擔(dān)，正隨著機(jī)器人技術(shù)的普及而急劇膨脹。據(jù)預(yù)測(cè)，全球電子垃圾的年增長(zhǎng)量將達(dá)到驚人的200萬(wàn)噸。未來(lái)的軟體機(jī)器人，因其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和對(duì)軟體電子的高度依賴，無(wú)疑將使這一挑戰(zhàn)變得更加棘手。

近日，來(lái)自韓國(guó)首爾大學(xué)、耶魯大學(xué)、奧地利約翰內(nèi)斯·開(kāi)普勒大學(xué)林茨分校等頂尖機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們，剛剛在頂級(jí)期刊《自然·可持續(xù)發(fā)展》（Nature Sustainability）上給出了一個(gè)別具一格的答案。

他們成功研發(fā)了一款既能生物降解，又“超耐用”的機(jī)器人手指，為實(shí)現(xiàn)“零浪費(fèi)”軟體電子設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用提供了重要思路。

這款機(jī)器人不僅在性能上表現(xiàn)出色，其所有部件——從機(jī)體到傳感器，再到電路——都能在工業(yè)堆肥條件下完全分解，最終“塵歸塵，土歸土”，化作滋養(yǎng)新作物的養(yǎng)料。

這不僅是模仿了生命體“生于自然，歸于自然”的循環(huán)，更是在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，真正意義上彌合了高性能與可持續(xù)性之間的鴻溝。

01.

矛盾的統(tǒng)一體：100萬(wàn)次彎折和完全降解

如何讓一個(gè)材料既堅(jiān)固耐用，又能在需要時(shí)“煙消云散”？這是可持續(xù)機(jī)器人領(lǐng)域最大的挑戰(zhàn)之一。傳統(tǒng)的生物可降解材料，如果凍、聚乙烯醇等，往往性能衰減快，難以勝任長(zhǎng)期、高強(qiáng)度的機(jī)器人工作。

而這支國(guó)際團(tuán)隊(duì)的第一個(gè)突破，就是找到了一種出色地平衡了耐用性與可降解性的彈性體材料——聚甘油癸二酸酯（PGS）。

PGS展現(xiàn)出了驚人的機(jī)械性能。它不僅具有高達(dá)約345%的拉伸極限，而且在經(jīng)歷各種極端形變——如雙向拉伸、折疊、扭曲和戳刺后，都展現(xiàn)出極高的回彈性能和抗疲勞性。

更關(guān)鍵的是它的“抗疲勞”能力。研究團(tuán)隊(duì)用PGS制作了氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的彎曲致動(dòng)器（機(jī)器人手指的核心驅(qū)動(dòng)部件），并對(duì)其進(jìn)行了耐久性測(cè)試。其耐久性測(cè)試結(jié)果十分突出：在經(jīng)歷了超過(guò)100萬(wàn)次的驅(qū)動(dòng)循環(huán)后，這款機(jī)器人手指的彎曲角度和輸出力幾乎沒(méi)有出現(xiàn)任何明顯的衰減或滯后。

你沒(méi)看錯(cuò)，是100萬(wàn)次！這一數(shù)據(jù)遠(yuǎn)超此前報(bào)道的其他可降解致動(dòng)器（約33萬(wàn)次循環(huán)），證明了其卓越的可靠性和耐用性。

不僅如此，這種材料還具備出色的“保質(zhì)期”。即使在室溫環(huán)境下存放了6個(gè)月甚至長(zhǎng)達(dá)1.4年之久，PGS材料及其制成的致動(dòng)器性能依然穩(wěn)定如初。這意味著由它制造的機(jī)器人，無(wú)需擔(dān)心因材料老化而頻繁更換，極大地降低了使用過(guò)程中的資源消耗。

這種超強(qiáng)的耐用性，主要?dú)w功于PGS獨(dú)特的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使其在反復(fù)受力后仍能保持極低的能量損失（即低滯后性）。可以說(shuō)，研究人員找到了一種兼具硅膠般彈性和耐用性，卻又擁有生物降解潛力的“天選之材”。

02.

智慧的大腦：21種傳感器集成一身

一個(gè)強(qiáng)大的“身體”還需要一個(gè)聰明的“大腦”和靈敏的“神經(jīng)系統(tǒng)”。這款機(jī)器人手指的第二個(gè)突破，便在于其高度集成的、同樣可以完全生物降解的電子系統(tǒng)。

研究人員在一個(gè)柔性基板上，集成了多達(dá)21種高密度電子元件，賦予了機(jī)器人手指極為豐富的感知和交互能力。這個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)包括：

本體感知系統(tǒng)：通過(guò)集成的鎂（Mg）電容式曲率傳感器和鉬（Mo）/PBAT電阻式應(yīng)變傳感器，機(jī)器人能精確感知自己每一部分的彎曲角度和應(yīng)變狀態(tài)。

外部感知系統(tǒng)：指尖部分布滿了豐富的傳感器陣列，使其能夠與外部環(huán)境進(jìn)行細(xì)致入-微的交互。這包括：

• 一個(gè)由6個(gè)傳感器組成的裂紋式觸覺(jué)傳感器陣列，能夠感知低至0.2 kPa的微小壓力，連一根羽毛的觸碰都能“感覺(jué)”到。
• 基于硅（Si）納米膜的溫度和pH傳感器，可以測(cè)量環(huán)境的溫度和酸堿度。
• 一個(gè)鎂電容式濕度傳感器，用于檢測(cè)水分變化。

此外，這個(gè)系統(tǒng)不只是被動(dòng)地“感知”，還能主動(dòng)地“干預(yù)”。研究團(tuán)隊(duì)還集成了鎂焦耳加熱器、電刺激器和可控藥物釋放裝置。這些功能模塊，讓機(jī)器人可以執(zhí)行加熱、電療、傷口處理、害蟲(chóng)防治等多種復(fù)雜任務(wù)。

所有這些電子元件，都由同樣可生物降解的材料構(gòu)成，主要是鎂（Mg）、鉬（Mo）和硅（Si）。這些無(wú)機(jī)材料不僅導(dǎo)電性好、性能可靠，而且在特定環(huán)境下可以水解為無(wú)毒的化合物，對(duì)環(huán)境完全友好。這套復(fù)雜的瞬態(tài)電子系統(tǒng)，通過(guò)精密的微納加工技術(shù)（如光刻、轉(zhuǎn)印等）制造并集成，展示了在不犧牲功能的前提下實(shí)現(xiàn)完全可持續(xù)性的巨大潛力。

03.

生命的輪回：從機(jī)器人到植物養(yǎng)料

有了強(qiáng)大的身體和智慧的大腦，這款機(jī)器人究竟能做什么？它最終的歸宿又將如何？本研究給出了極具前景的解決方案。

研究人員組裝了一個(gè)雙指抓手，來(lái)模擬其在農(nóng)業(yè)場(chǎng)景中的應(yīng)用。這個(gè)抓手能夠輕柔地握住植物的莖，通過(guò)插入的鎂針電極實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物內(nèi)部的阻抗。當(dāng)植物缺水時(shí)，其內(nèi)部離子遷移率降低，阻抗會(huì)顯著上升。通過(guò)這種方式，機(jī)器人可以直接“詢問(wèn)”植物是否“口渴”。

在給植物澆水后，機(jī)器人能清晰地監(jiān)測(cè)到阻抗在6小時(shí)內(nèi)迅速下降，證實(shí)了植物水分狀態(tài)的改善。此外，它還能利用溫度傳感器，通過(guò)測(cè)量葉片與空氣的溫差來(lái)判斷植物的蒸騰作用是否正常。

它甚至還能扮演“園丁”的角色。利用指尖的焦耳加熱器，它可以對(duì)細(xì)小的植物莖進(jìn)行精確“修剪”；之后，再通過(guò)藥物釋放裝置，在“傷口”處涂抹含有抗菌銀顆粒的藥物，保護(hù)植物免受感染。

而當(dāng)機(jī)器人完成其所有使命后，它將迎來(lái)生命的終極篇章——回歸自然。

研究團(tuán)隊(duì)將整個(gè)機(jī)器人手指置于模擬工業(yè)堆肥的環(huán)境中（58°C，高濕度，pH 7-8）。奇妙的變化發(fā)生了：

• 構(gòu)成電子器件的鎂、鉬、硅薄膜開(kāi)始快速水解、氧化和溶解。其中，鎂在5分鐘內(nèi)就開(kāi)始形成氧化層并迅速消失。
• 構(gòu)成機(jī)體的PGS、PBAT、PLA等高分子材料，在微生物產(chǎn)生的酶和環(huán)境中各種化學(xué)物質(zhì)的共同作用下，酯鍵斷裂，分解為小分子。

整個(gè)過(guò)程就像按下了快進(jìn)鍵的自然腐爛。僅僅90天后，整個(gè)機(jī)器人手指的重量就減少到了初始重量的約13%，幾乎完全解體。

最關(guān)鍵的一步，是驗(yàn)證這些分解產(chǎn)物的生態(tài)兼容性。研究人員將這些完全分解后的機(jī)器人“遺骸”與土壤混合，作為堆肥，用來(lái)種植燕麥。

結(jié)果表明：在含有機(jī)器人堆肥的土壤中，燕麥種子的發(fā)芽率、存活率、植株高度和最終重量，與在普通對(duì)照組土壤中生長(zhǎng)的燕麥幾乎沒(méi)有任何差異。

這意味著，機(jī)器人分解后的產(chǎn)物不僅無(wú)毒無(wú)害，反而成為了能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)豐富的原料。一個(gè)由尖端科技造就的復(fù)雜機(jī)器，最終以最質(zhì)樸的方式，完成了從無(wú)機(jī)到有機(jī)，再到新生命的偉大循環(huán)。

這項(xiàng)工作無(wú)疑是可持續(xù)機(jī)器人領(lǐng)域的一項(xiàng)重要突破。未來(lái)的機(jī)器人，或許真的可以像所有生命體一樣，在盡職盡責(zé)地完成一生工作后，安然回歸自然的懷抱，成為孕育下一個(gè)春天的土壤。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41893-026-01780-4