基于明胶水凝胶的可生物降解粘合剂在机器人环境监测中的应用研究

这篇综述创新性地提出将明胶水凝胶（gelatin hydrogel）作为可生物降解粘合剂应用于机器人环境监测领域。研究通过热响应性粘附机制（加热-冷却循环）实现了在树皮、混凝土等不同粗糙度表面的可逆粘附（最大粘附强度1.5 MPa），并验证了其在无人机（UAV）栖息、攀爬机器人（SnailBot）和传感器部署三大场景的应用价值。该水溶性材料解决了传统粘合剂残留污染问题，为自然和工业环境监测提供了可持续解决方案。

　　

2.1 工作原理

明胶水凝胶粘附机制基于温度调控的可逆相变：加热至60°C时呈粘流态，冷却后形成固态粘接。实验系统量化了冷却时间（t_C）、加热温度（T_H）、压力（F_P）等参数对最大剥离力（F_M）的影响，发现2分钟冷却配合60°C加热可实现1.2 MPa粘附强度，支持4 kg负载。值得注意的是，剪切方向粘附强度（0.4 MPa）虽低于法向，仍能满足多数应用需求。

2.2 材料特性

该水凝胶含24 wt%猪源明胶（bloom值260）、25.3 wt%葡萄糖浆等成分，通过70°C模塑成型。其独特优势在于：①水溶性实现雨水自清洁；②生物相容性确保环境安全；③0.1 g样品（6×6×2 mm）即可产生20 N粘附力。界面失效分析显示，高温（70°C）导致内聚失效，而低温（50°C）多发生界面失效。

2.3 表面适应性

在砂纸（K80-K320）、玻璃、中密度纤维板（MDF）、树皮等差异显著的表面测试中，粘附强度保持0.6-1.5 MPa。粗糙表面（如树皮）因接触面积减少导致强度降低，但通过优化压力（5 N为效益拐点）可改善性能。水浸润实验证实，260 mL水流（模拟27分钟降雨）即可溶解粘接，为传感器回收提供自然解决方案。

2.4-2.6 应用验证

无人机传感器部署：64 g传感器通过磁吸式加热板（铜基板+14.4Ω电阻）实现快速贴装，俯仰机构确保接触压力。

栖息无人机：1.1 kg无人机采用帕尔贴元件（CP60233）主动冷却，3分钟栖息期间功耗仅81.79 g电池负载。

SnailBot攀爬机器人：双足设计（总重935 g）集成挤出式供胶系统，22.44 g胶棒经60°C熔融后通过双喷嘴精确涂布，实现0.59体长/分钟的垂直攀爬速度。

3 结论与展望

当前体系在湿润环境稳定性（可通过疏水改性改善）和冷却效率（建议采用气体喷射冷却）存在优化空间。未来研究可探索：①化学交联提升耐水性；②柔性导热界面增强曲面适应性；③复合配方平衡强度与降解性能。该技术为生态敏感区域的长期监测提供了革命性工具，其"植入-降解"理念可延伸至医疗设备固定等跨学科领域。