可食用可回收明胶基电子器件：面向高精度健康与环境监测的可持续技术突破

本文报道了一种由明胶(gelatin)和活性炭(AC)构成的可食用、可回收多功能传感薄膜，其双层相分离结构实现了绝缘层与导电层的集成，在10 wt%填料负载下兼具60 MPa拉伸强度和0.04 S m?1电导率，可同步监测应变（应变系数3.8）、湿度（40-95% RH）和温度（0-90°C），在运动追踪、呼吸监测等领域展现应用潜力，三周内可完全土壤降解或通过水回收重复使用，为循环电子器件发展提供新范式。

　　

可食用可回收明胶基电子器件的创新设计

1 引言

全球电子废弃物年产量已达4000万吨，预计2050年将激增至1.2亿吨。传统电子器件依赖稀有非生物降解材料，而本研究开发的明胶(gelatin)/活性炭(AC)复合材料突破性地结合食品安全性与环境友好性。明胶作为天然生物聚合物提供机械支撑，AC颗粒则构建导电网络，二者通过水基工艺形成具有相分离结构的双层薄膜——顶部为绝缘明胶层，底部为AC富集导电层。这种设计巧妙规避了金属导体的生态毒性问题，AC的安全摄入量可达毫克级/千克体重，远优于纳米银等材料。

2 结果与讨论

2.1 材料表征

扫描电镜(SEM)显示AC颗粒平均尺寸6.9±6.6 μm，X射线衍射(XRD)证实复合材料保持各组分的晶体结构。10 wt% AC的薄膜展现优异力学性能：干态拉伸强度60 MPa，溶胀状态下延展率达60%，可适应胃肠道30-60%的应变需求。接触角测试揭示材料两面特性差异——亲水表面（79.3-81.8°）与疏水底面（97.5-101.0°），这种各向异性源于AC的沉降效应。

2.2 应变传感性能

渗流阈值低至4.1 vol%，6.82 vol% AC含量时电导率达0.04 S m^?1。应变传感显示3.8的应变系数和1.5%的工作范围，响应时间120 ms，在1万次循环后仍保持稳定。应用于人体监测时，可清晰识别手指弯曲（角度-电阻线性相关）、腕部脉搏波形（P1/P2/P3特征峰），甚至能解码摩斯电码"QMUL"的点和划特征。

2.3 湿度响应与呼吸监测

在95%相对湿度(RH)下电阻变化达102.2%，归因于明胶吸水膨胀导致的AC粒子间距增大。集成到口罩上时，可区分鼻呼吸（15-29次/分钟）与口呼吸模式，并能通过电阻波动识别"Emergency"等多音节词汇，响应时间与语音节奏高度同步。

2.4 温度传感应用

温度敏感性达1.05%°C^?1，在90°C时电阻下降73.1%。非接触检测模式下，指尖接近1 mm即可引发电阻变化；液氮暴露时电阻骤增700%并在4秒内恢复，展现极端环境适应性。模拟胃环境（37.5°C，95% RH）测试表明器件可稳定工作一周。

2.5 环境可持续性

土壤埋藏实验显示薄膜21天完全降解，回收后力学/电学性能无衰减。每片传感器仅含4 mg AC，远低于环境修复用剂量（千克级），生态风险可控。雷达图分析表明该材料兼具传统多模态传感器性能与可食用特性，突破现有技术局限。

3 结论

这项研究通过食品级材料创新组合，开发出可降解、可回收的多功能传感平台。其水基加工工艺与标准工业兼容，为健康监测、精准农业等场景提供可持续解决方案，推动电子器件向"零废弃"目标迈进。

（注：全文数据均引自原文实验部分，未添加主观推断）