意大利研究人员创造了一种新颖的4D打印的可生物降解的软体机器人，其形状像一颗种子，能随着湿度的变化而改变形状，并能在土壤中航行。该设备作为监测环境的一种新方式具有很大的潜力。

4D打印是使用3D打印技术来创造能够对环境因素（如光线和温度）做出反应而改变其形状或属性的物体的过程。此前，该技术已被用于创建自组装、可编程的材料技术。

现在，4D技术已被用于创造一个能够分析土壤的软体机器人。从南非天竺葵（Pelargonium appendiculatum）的种子结构中获得灵感，其形状随环境湿度的变化而变化，热那亚意大利技术研究院的研究人员制造了第一个仿生物的、可生物降解的种子机器人。

该研究的通讯作者Barbara Mazzolai说："我们的研究从观察自然开始，目的是模仿生物或其结构的策略，并将其复制到机器人技术中，在能源和污染方面对环境影响较小。"

包括天竺葵在内的天竺葵科开花植物的种子在适当的环境条件下通过分离自己来利用其吸湿性（湿度激活）特性。脱离后，它们会改变形状并独立穿透土壤，增加发芽的机会。

在彻底调查了天然种子的结构和生物力学之后，研究人员使用3D打印和电纺技术的组合来复制它。电纺是一种纤维生产方法，它利用电力将带电的聚合物拉到纤维直径大约在一百纳米左右。

视频链接：https://youtu.be/Ovrl_Dsws_o

“我们的研究从对自然的观察开始，旨在模仿生物的策略或它们的结构，并将它们复制到机器人技术中，在能源和污染方面对环境的影响较小，”机器人技术副主任 Barbara Mazzolai 解释说。

对于由该领域的先驱 Mazzolai 协调的 IIT-BSR 实验室的研究小组来说，植物一直是灵感的源泉。在模仿了根部和攀缘植物的生长和运动策略后，该小组重点研究了天竺葵科植物典型的种子携带结构的运动和扩散特征。

当合适的环境条件出现时，这些种子从植物中分离出来，并利用构成它们的材料的吸湿特性，改变形状并独立移动以探索和渗透土壤，从而增加发芽的机会。研究人员发现有趣的是，这些种子利用缺乏新陈代谢且能够变形的死纤维素基组织，仅利用环境湿度的变化。

研究人员使用熔融沉积模型（FDM）打印了一个由聚己内酯（PCL）组成的基底层，PCL是一种可生物降解的热塑性聚酯，使用氧等离子体激活，使其更具水的吸引力（亲水性）。然后，他们在基底上添加了由聚氧化乙烯外壳和纤维素纳米晶体核心组成的电纺吸湿纤维。

在测试中，该软体机器人探索了土壤样本，调整其形状以与土壤的粗糙度和裂缝互动。它非常节能，可以举起其重量的100倍左右。

研究人员说，这种新颖的设备提供了一种不引人注意地监测地球的新方法。

Mazzolai说："通过这项最新的研究，我们进一步证明了创造创新的解决方案是可能的，这些解决方案不仅有监测我们星球福祉的目标，而且是在不改变它的情况下进行的。"

研究人员希望，该设备的低成本、简单设计和数据收集能力在偏远地区将特别有用。该研究的第一作者Luca Cecchini说："这些可生物降解和能源自主的机器人将作为无线、无电池的工具用于地表土壤的勘探和监测。这种生物启发的方法使我们能够创造出低成本的仪器，可用于收集具有高空间和时间分辨率的原位数据，特别是在没有监测数据的偏远地区。"

该研究发表在《先进科学》杂志上。

参考链接：https://techxplore.com/news/2023-04-3d-printed-biodegradable-seed-robot-response.html