可食用机器人和机器人食品——感知、处理刺激并对刺激采取行动的可食用系统——可能在医疗保健、环境管理和促进更健康的饮食习惯方面开辟一系列新的机会。例如，它们可以实现精确的药物递送和体内健康监测，在紧急情况下提供自主靶向营养，减少农业浪费，促进野生动物疫苗接种，并产生新的美食体验。在这里，我们从机器人设计师的角度来确定可以作为可食用机器人和机器人食品的功能部件的可食用材料，如身体、致动器、传感器、计算部件和能源，描述最近的集成示例，并讨论该领域的开放挑战。
机器人—尤其是软机器人—通常从生物学中获得灵感1，但当生物在生命末期成为其他生物的营养时，机器人却成为废物和污染源。机器人技术在环境应用中的日益普及鼓励研究人员使用可生物降解的组件，并开发新的方法使机器人的生命周期更加可持续。正如我们在这个视角中所展示的，我们现在可以更进一步，将机器人视为具有营养价值的食物来源。我们使用“食物”和“可食用”这两个术语来表示不仅可生物降解或可摄入，而且对人类和动物的营养需求也有积极贡献的材料，提供能量（卡路里）、大量营养素（碳水化合物、蛋白质、脂肪）、微量营养素（矿物质、维生素）和纤维。具体而言，我们在提到具有非可食用机器人形式或功能的设备时使用“可食用机器人”一词，在提到具有典型食物形式或功能时使用“机器人食物”一词。
完全可食用的机器人和机器人食品有望为人类、动物和环境提供新的功能。例如，可食用机器人可以精确地分析胃肠道并输送药物，或者沿着食道向下移动以缓解吸入性肺炎——当食物或液体等异物被吸入肺部时会发生吸入性肺炎，在美国每年影响30万至60万人5——而不会产生当前可摄入设备带来的健康风险和环境危害。可食用机器人还可以在紧急情况下提供救生营养，因为传统无人机的有效载荷不足以满足营养需求。此外，可食用或部分可食用的机器人的部署将比传统机器人更环保，因为所有或大多数机器人部件将被吃掉或生物降解，最终为环境提供其组成营养，从而有助于食物链的循环。后一个方面尤其适用于可部署在大分散区域的小型软机器人，用于环境监测等应用。在另一种情况下，机器人食物可以产生新的烹饪体验。例如，需要更多时间从菜肴转移到口腔的互动营养有助于重新平衡人们与食物选择和消费的关系。此外，机器人食品在宠物和野生动物的营养和健康保护方面具有潜力，它们自然会被移动的食物来源所吸引。例如，在水产养殖中，持续在水面上方或下方移动的食物颗粒可以增加鱼类的营养摄入，减少未食用的饲料，这是水污染的来源。此外，注入疫苗的移动机器人食物可以分散在森林地区，以吸引和治疗野猪等隐居动物，防止疾病传播。与机器人食物来源的互动还可以通过鼓励圈养动物采用自然和社会行为，提高驯养动物的福利，或有效地为其重新引入野外做好准备。
正如我们在这个视角中所展示的，现在可以设计出对特定刺激具有可控和可编程反应的食物。我们描述了可用于为可食用机器人和机器人食品提供有用功能的部件的可食用材料的最新进展，并根据可食用材料如何用作机器人部件，即用于身体、致动器、传感器以及计算资源和能源，组织了讨论。然后，我们调查了合适的制造方法，提供了已报道的可食用机器人和机器人食品的例子，并确定了该领域仍需解决的挑战，以充分发挥其潜力。
Body materials
机器人主体通常用作其他组件的支架，如传感器、致动器、能量存储和计算组件。机身的材料特性、形状和制造工艺的选择是由机器人的预期功能驱动的。例如，移动机器人必须将运输的能量成本降至最低，材料密度和弹性被考虑在内，而柔性气动致动器必须施加强大的力并承受大的变形，拉伸强度和弹性则被考虑在内。
为了集中讨论，让我们在密度-弹性材料空间中考虑可食用和非可食用材料。总体而言，食品材料比大多数非食用材料显示出更高的弹性（较低的杨氏模量）。尽管大多数食品材料都是无定形的，并且含有水，这会软化材料，但结晶蔗糖1、纤维素和壳聚糖显示出相对较高的杨氏模量（1-50 GPa）。纤维素和壳聚糖是结肠中微生物群的纤维来源，但只能由人类等杂食动物在结肠中发酵；尽管这是一种重要的营养成分，但它们最好以相对少量的量使用。食物材料的密度低于大多数非食用材料：蛋白质和大多数碳水化合物的密度约为1.3 g cm−3，脂肪含量约为0.9 g cm−3，面包可以低至0.2–0.3 g cm−3（参考文献18,19）。尽管如此，一些可食用材料与软机器人中使用的非可食用材料相比还是很好的。例如，明胶已被证明在机械上等同于不可食用的弹性体，并已被用于气动夹具20，膨化米饼干等同于不可食用的泡沫，并已用于无人机机翼。根据机器人的应用，可以通过将不同的食品材料组合成适合咀嚼或吞咽的可食用复合材料来实现所需的定向刚度、拉伸强度和密度，并提供所需的营养成分。
