2023 年 3 月，意大利技術(shù)研究院團隊打造出一款可食用的充電電池。通過將核黃素和槲皮素固定在活性炭電極上，研究團隊造出了這款電池。該電池可以在 0.65V 下工作，能將 48μA 的電流維持 12 分鐘。相關(guān)論文發(fā)表于Advanced Materials（IF 27.4）。
2023 年 4 月，意大利技術(shù)研究院團隊又研發(fā)一種有機可食用摩擦納米發(fā)電機（TENG，Triboelectric Nanogenerator），它集成了一種從單步溶液鑄造獲得的活性炭層/乙基纖維素雙層膜，底層富含活性炭并能導(dǎo)電，而頂層由純乙基纖維素制成因此具有絕緣特性。這種有機可食用摩擦納米發(fā)電機表現(xiàn)出低電阻率和機械柔韌性，能被用于能量收集和存儲設(shè)備，相關(guān)論文發(fā)表于Nano Energy（IF 16.8）。
后來，意大利技術(shù)研究院團隊和瑞士洛桑高等酒店管理學(xué)院團隊，參與了瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院團隊的 RoboFood 項目。
2025 年 4 月，關(guān)于這一項目的最新成果亮相。三方造出一款名為 RoboCake 的可食用機器人婚禮蛋糕。
RoboCake 的亮點在于擁有兩個完全可食用的機器人小熊，它們由明膠、糖漿和著色劑制成，研究人員表示它的味道嘗起來像石榴軟糖。
機器人小熊由內(nèi)部氣動系統(tǒng)驅(qū)動，當(dāng)空氣通過專用通道注入時，它們的頭部和手臂就會動起來。
與此同時，這款蛋糕搭載由意大利技術(shù)研究院團隊開發(fā)的可食用充電電池。此次電池由意大利技術(shù)研究院團隊此前的電池迭代而來，其由維生素 B2、槲皮素、活性炭和巧克力制成。這些電池不僅可以被安全食用，還能用來點亮蛋糕上的 LED 蠟燭。
研究人員表示，當(dāng)你吃下它們時首先嘗到的是黑巧克力的味道，隨后由于內(nèi)部的可食用電解質(zhì)，你會感受到一股令人驚訝的酸味，這種味道會持續(xù)幾秒鐘。
為了確保可食用機器人婚禮蛋糕兼具美味和安全性，瑞士洛桑高等酒店管理學(xué)院的食品專家和糕點師參與了蛋糕制作，從而將技術(shù)、電子和美味融為一體。據(jù)介紹，全球每年產(chǎn)出高達4000 萬噸的電子垃圾，而這種可食用充電電池能為解決這一問題提供潛在解決方案。
目前，研究人員正在考慮將可食用機器人用于緊急營養(yǎng)和健康領(lǐng)域。與此同時，可食用機器人還可用于向危險地區(qū)運送食物，向吞咽困難的人或動物運送藥物，甚至可以使用可食用傳感器來監(jiān)測食物新鮮度。
另據(jù)悉，RoboFood 是一個由歐盟資助的為期四年、耗資 350 萬歐元的研究項目。該項目于 2021 年啟動，匯集了來自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院、意大利技術(shù)研究院、英國布里斯托爾大學(xué)和荷蘭瓦赫寧根大學(xué)的科學(xué)家。該項目旨在打造可食用機器人和機器人食品，以用于食品保鮮、緊急營養(yǎng)補給、人類和獸醫(yī)學(xué)應(yīng)用，以及提供全新的烹飪體驗。
可食用機器人至少具備四大應(yīng)用場景
機器人設(shè)計與食品加工看似是兩個互不相干的研究領(lǐng)域，但在材料特性、制造工藝和功能方面，它們存在大量尚未得到開發(fā)的重疊領(lǐng)域。
人們在制造機器人尤其是制造軟體機器人的時候，往往從生物學(xué)中汲取靈感。但是，與生物有機體在生命終結(jié)時會成為其他有機體的營養(yǎng)來源不同的是，機器人最終會變成廢物和污染源。
隨著機器人技術(shù)在環(huán)境應(yīng)用中的日益普及，促使學(xué)界開始采用可生物降解的組件，并通過開發(fā)新方法來讓機器人的生命周期更具可持續(xù)性。
通過本次成果我們了解到，機器人也可以作為營養(yǎng)食物的來源。2024 年，本次可食用機器人蛋糕的研發(fā)方之一——瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院團隊在一篇發(fā)表于Nature Reviews Materials（IF 79.8）的綜述論文中介紹了這一領(lǐng)域的現(xiàn)狀與前景。
總的來說，可食用機器人和機器人食品，有望為人類、動物和環(huán)境帶來以下益處。
其一，可食用機器人可以分析胃腸道和精準遞送藥物，或沿著食道移動以便降低吸入性肺炎的風(fēng)險，同時能夠避免可吞服設(shè)備帶來的健康風(fēng)險與環(huán)境危害。需要說明的是，吸入性肺炎由食物或液體等異物進入肺部引發(fā)，美國每年有30 萬至 60 萬人受影響。因此，可食用機器人的投放將為相應(yīng)人群帶來益處。
其二，部署可食用機器人將更加環(huán)保。這種機器人比傳統(tǒng)機器人更友好，因為它的大部分部件要么能被食用、要么能被生物降解，進而能將其組成營養(yǎng)成分提供給環(huán)境，從而促進食物鏈的循環(huán)。
其三，機器人食品可用于人類和動物的影響補充。在緊急情況下，可食用機器人還可以提供挽救生命所需的營養(yǎng)，而這是傳統(tǒng)無人機所無法實現(xiàn)的功能。其在寵物和野生動物營養(yǎng)提升上也具有潛力，因為動物天生會被移動的食物源所吸引。例如，在水產(chǎn)養(yǎng)殖中食物顆粒會持續(xù)地在水面或水下移動，就能增加魚類的營養(yǎng)攝入，以及減少未被食用的飼料，從而助力于減少水體污染。
其四，帶有疫苗的移動式機器人食品，可以分散到森林中特殊設(shè)立的區(qū)域，以便吸引并處理野豬等隱居動物，從而防止疾病傳播。
而在可食用機器人的打造上，主要涉及到本體材料、傳動裝置、傳感器、計算設(shè)備等，以下做以簡要介紹。
可食用機器人背后的“不簡單”所在
本體材料來源：明膠、膨化米餅、高脂肪食品等
可食用材料比大多數(shù)非食用材料具有更高的彈性，即具有更低的楊氏模量。
例如，明膠已被證明在機械性能上等同于非食用彈性體，并已被用于氣動夾具；而膨化米餅則等同于非食用泡沫，并已被用于無人機機翼。
通過將不同的食物材料組合成可食用的復(fù)合材料，可以根據(jù)機器人的應(yīng)用場景（咀嚼或吞咽）提供所需的營養(yǎng)特性，從而實現(xiàn)所需的定向剛度、抗拉強度和密度。
大多數(shù)可食用材料對于水分都比較敏感，但是可食用機器人在降解之前，可能需要在潮濕環(huán)境中運行一段時間。這時，可以使用可食用涂層來調(diào)節(jié)水分和氧氣透過性。
一些潛在的候選材料包括高脂肪食品材料（食用蠟、巧克力、油凝膠）、蟲膠、魔芋、海藻酸鈉和乙基纖維素。此外，通過將咖啡與蜂蠟混合，以及將巴西棕櫚蠟與蜂蠟混合，能夠獲得可食用的疏水涂層。
疏水蛋白是一類真菌蛋白，具有極強的疏水性，可用于制備超疏水涂層。將多個預(yù)成型結(jié)構(gòu)組裝成一個整體需要使用粘合劑。盡管不可食用膠的粘合強度最大，但幾種食用膠的性能也相當(dāng)出色。市面上也有一些可食用的“膠水”，比如淀粉、明膠、食用蠟、阿拉伯膠、巧克力和糖基膠水。
傳動裝置來源：明膠、水凝膠、淀粉等
執(zhí)行器，是機器人的重要組成部分。它能將來自不同來源的能量，轉(zhuǎn)化為機械變形和運動。目前，明膠、水凝膠和淀粉已被證明可被用于制造可食用機器人的執(zhí)行器。
實驗證明由明膠制成的氣動人工肌肉，其性能已經(jīng)可以媲美那些由不可食用彈性體制成的執(zhí)行器。然而，這些可食用的執(zhí)行器尚不適用于人體體內(nèi)驅(qū)動，因為它們需要泵或?qū)Ч軄硖峁┛諝?。一種較有希望的解決方案是通過一種機制來觸發(fā)化學(xué)微反應(yīng)，在可食用執(zhí)行器內(nèi)部產(chǎn)生氣體。
刺激響應(yīng)型聚合物尤其是水凝膠，對于環(huán)境刺激比如熱量、濕度、pH 值和酶等，能夠表現(xiàn)出機械響應(yīng)，這為可食用機器人的動力來源提供了另一種潛在解決方案。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生變化的時候，水凝膠能夠自主彎曲和產(chǎn)生線性運動，目前其已被用于制造可在人體內(nèi)發(fā)揮功能的可食用執(zhí)行器，比如用于在胃腸道中釋放藥物等。
而使用淀粉等可以制成可食用的薄膜，并能在其表面雕刻出可以定向約束變形的圖案，然后將這些薄膜暴露于一定溫度和濕度的刺激下，就能讓機器人實現(xiàn)復(fù)雜的運動和變形，比如彎曲、螺旋、纏繞和爬行。通過這種方式可以生產(chǎn)具有互動性的食品，從而將其用于娛樂和教育。此外，在特定的溫度和濕度變化之下，淀粉薄膜會表現(xiàn)出形狀記憶行為，故能被用于制造具有可編程運動的執(zhí)行器。
傳感器：分為體外傳感器和體內(nèi)傳感器兩類
可食用機器人也需要傳感器實現(xiàn)運行，而到底選擇怎樣的傳感器組合，則取決于可食用機器人的具體應(yīng)用場景。目前的可食用傳感器，包括體外傳感器和體內(nèi)傳感器兩種。
體外傳感器主要包括：
- 由富含纖維素的宣紙或面粉基復(fù)合材料制成的濕度傳感器；
- 由蜂蠟、鎂、金和離子色譜電解質(zhì)制成的除霜傳感器；
- 基于阻抗測量、由活性炭、蜂蠟和植物油制成的水果成熟度傳感器；
- 基于固定在細菌纖維素和聚乙烯醇膜上的紅甘藍花青素的 pH 比色傳感器；
- 以及一種生物胺檢測器，該檢測器利用固定在可食用海藻酸鈣珠中的京尼平（Genipin）天然交聯(lián)劑，從而能夠評估食品保存狀態(tài)。
體外傳感器主要包括：
- 基于真菌衍生的木素黃素的光學(xué)傳感器，該傳感器可使可食用機器人感知環(huán)境光強度，并提供可能的通信路徑；
- 由果膠基薄膜制成的溫度傳感器；
- 由水凝膠制成的應(yīng)變和壓力傳感器，使機器人能夠感知機械輸入；
- 以及由活性炭、油凝膠、可食用金（Edible Gold）和明膠制成的傾斜傳感器，特別適用于感知空間方向。
體內(nèi)傳感器主要用于胃腸道監(jiān)測，盡管目前已有多種可攝入設(shè)備，但是可食用傳感器具有更高的安全性和更低的滯留風(fēng)險，并能減少不良成分的生物吸收。比如，在人體胃腸道中運作的可食用機器人，在被吞咽之后可以通過人體被動運動受益。
計算設(shè)備來源：胡蘿卜素、食用色素以及真菌衍生材料
機器人通常需要依靠計算設(shè)備來將感官信息轉(zhuǎn)化為驅(qū)動信息。盡管人們有時會使用可編程材料來替代顯式計算，但是基于電子電路的專用計算設(shè)備可以顯著提高機器人的行為復(fù)雜性和適應(yīng)性。
可食用電子學(xué)，是一個由健康和環(huán)境需求驅(qū)動的新興研究領(lǐng)域，旨在開發(fā)利用食品材料電學(xué)特性的、包含無源和有源元件的電路。
在可食用電子學(xué)領(lǐng)域，無源元件（電阻、電感和電容）只能消耗或儲存能量，而有源元件則可以通過控制電流，將能量轉(zhuǎn)換到電路中。
電阻器、電感器和電容器這三種無源元件，目前學(xué)界均已能夠使用可食用的導(dǎo)體和絕緣體完成制作。
盡管學(xué)界已經(jīng)確定了可食用的半導(dǎo)體候選材料，如類胡蘿卜素、食用色素以及真菌衍生材料，但由于穩(wěn)定性、性能和制造方面的限制，要將它們整合為活性成分仍然具有挑戰(zhàn)性。
因此，迄今為止最新研究進展僅報道了部分可食用的晶體管，特別是在電解質(zhì)柵極配置中，其中柵極介電介質(zhì)由離子導(dǎo)體構(gòu)成，能夠提供高電容，從而允許低電壓操作。
不過，目前可食用機器人仍然存在執(zhí)行器功率低、傳感器的信號處理能力不足等問題。同時，還需要進一步探討如何將多樣化的可食用組件加以集成。因此，本次研究人員建議，應(yīng)該通過開發(fā)新的制造方法和材料數(shù)據(jù)庫，來實現(xiàn)可食用機器人的進一步迭代。
參考資料：
https://actu.epfl.ch/news/robotics-meets-the-culinary-arts/
Floreano, D., Kwak, B., Pankhurst, M. et al. Towards edible robots and robotic food.Nat Rev Mater9, 589–599 (2024). https://doi.org/10.1038/s41578-024-00688-9
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202211400
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285523000046
排版：初嘉實
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