Soft and Biodegradable Sensors Integrated with Morphable Structures for Healthcare and Robotic Applications = 의료 및 로보틱스 응용을 위한 가변형 구조체에 집적된 연성 생분해성 센서

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A major challenge in bioelectronic and soft robotic systems lies in reconciling high-performance electronics with soft, biodegradable materials, making their reliable integration a pivotal step toward truly transient and compliant platform. Here, a new class of soft and biodegradable biointerfaces and robotic platforms is presented, based on technologies that integrate high-precision electronic devices onto mechanically compliant biodegradable soft materials.
First, a minimally invasive biodegradable optical monitoring device capable of stably collecting large-area optical signals was designed for accurate physiological parameter monitoring. A low-loss and mechanically flexible optical architecture was realized by integrating polylactic acid (PLA)-based waveguides with poly(L-lactide-co-ε-caprolactone (PLCL) and polybutylene adipate terephthalate (PBAT) substrates. In vivo evaluations demonstrated that this platform enables spatially extended monitoring of cerebral oxygenation and pH dynamics. These results indicate that the proposed optical biointerface can provide large-area physiological information that is difficult to achieve using conventional approaches in biodegradable manner, highlighting its potential as a new brain–tissue interfacing technology.
In addition, a multimodal biodegradable soft robotic system was developed by robustly integrating proprioceptive and exteroceptive sensors together within a mechanically reliable PGS-based biodegradable structure. The robotic platform demonstrated precise motion control based on closed-loop feedback, real-time acquisition of multimodal sensor signals without mutual interference. Furthermore, functional applicability in real-world environments was validated through demonstrations of plant physiological monitoring and management.
All platforms developed in this study were confirmed to undergo complete biodegradation over time, eliminating the need for secondary surgical removal in biomedical applications and reducing environmental waste after use for soft robotic system.
Overall, this work establishes a foundation for sustainable high-functionality platforms by integrating advanced electronic and sensing systems onto biodegradable soft materials, extending both large-area brain monitoring devices and multimodal soft robots into a unified biodegradable paradigm. This approach offers promising opportunities for next-generation biodegradable bioelectronic and soft robotic technologies across diagnostic, therapeutic, and environmental monitoring applications.

국문 초록 (Abstract)

바이오전자 및 연성 로봇 시스템에서의 주요한 도전 과제는 고성능 전자소자와 연성·생분해성 소재 간의 근본적인 부조화를 극복하는 데 있으며, 이들을 신뢰성 있게 통합하는 기술은 일시적이고 기계적으로 순응적인 플랫폼을 구현하기 위한 핵심적인 단계이다. 본 연구에서는 높은 정밀도의 전자소자를 우수한 기계적 순응성을 갖춘 생분해성 연성 소재에 탑재하는 기술을 기반으로, 생체 적합성과 환경 지속가능성을 동시에 충족하는 새로운 연성 바이오인터페이스 및 로봇 플랫폼을 개발하였다. 우선, 최소침습적으로 삽입 가능하며 대면적 광학 신호를 안정적으로 수집할 수 있는 생분해성 광 모니터링 디바이스를 설계하였다. 기계적으로 유연하면서도 낮은 광손실을 유지하도록 PLA 웨이브가이드 구조와 PLCL/PBAT 기판을 구현한 뒤 결합하고, 이를 실제 in vivo 환경에서 평가한 결과, 뇌 산소화 및 pH 변화를 공간적으로 확장된 범위에서 감지할 수 있음을 확인하였다. 이는 기존의 방식으로는 확보하기 어려운 넓은 뇌 영역의 생리학적 정보를 제공할 수 있는 새로운 인터페이스 기술임을 보여준다.
또한 우수한 기계적 신뢰성을 갖는 PGS 기반 생분해성 구조체 내에 proprioceptive 및 exteroceptive 센서와 기능성 전자소자를 서로 간의 간섭 없이 견고하게 통합하여 멀티모달 연성 로봇을 제작하였다. 로봇은 폐루프 제어 기반의 정밀한 움직임 조절, 다중 센서 신호의 실시간 획득, 전기·열·약물전달 모듈의 안정적 구동이 가능함을 입증하였다. 더불어 식물 생리 모니터링 및 관리 시연을 통해 실제 환경에서의 기능적 적용 가능성도 확인하였다.
본 연구에서 개발한 모든 플랫폼은 시간이 경과함에 따라 완전 생분해됨을 확인하였으며, 체내에서 2차 수술이나 환경에서 폐기물 부담 없이 사용 후 자연스럽게 분해됨을 의미한다.
종합하면, 본 연구는 생분해성 연성 소재 위에 고기능성 전자·센서 시스템을 통합함으로써, 대면적 뇌 모니터링 장치와 멀티모달 연성 로봇이라는 두 기술을 새로운 지속가능 플랫폼으로 확장하는 기반을 마련하였다. 이러한 접근은 향후 진단·치료·환경 모니터링 등 다양한 분야에서 활용 가능한 차세대 생분해성 바이오전자·연성 로봇 기술의 가능성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Real-time, large-area multimodal brain monitoring 2
• 1.2 Minimally invasive large-area brain monitoring implant 4
• 1.3 Physiological brain monitoring by optical platform 6
• 1.4 Integration of electronics on soft platform 8
• 1.5 Extension to multimodal biodegradable soft robotics 10
• Chapter 2. Integration of optical system for minimal invasive platform 13
• 2.1 Motivation 14
• 2.2 Architecture of the reconfigurable optical platform 16
• 2.3 Ensuring reliable light delivery 20
• 2.3.1 Waveguide design based on optical guiding principles 20
• 2.3.2 Fabrication of the biodegradable waveguide 26
• 2.3.3 Analysis of waveguide propagation loss 28
• 2.3.4 Optical stability of waveguide under biodegradation 30
• 2.4 Minimization of stress concentration 33
• 2.4.1 Mechanical mismatch–induced stress concentration of platform 33
• 2.4.2 Dimensional optimization of platform 36
• 2.5 Chapter summary 41
• Chapter 3. Demonstration of biodegradable optical monitoring 42
• 3.1 Motivation 43
• 3.2 Photodiode for high-fidelity optical signal reading 44
• 3.3 In vivo demonstration of optical monitoring 47
• 3.3.1 Oxygen monitoring 47
• 3.3.2 pH monitoring 50
• 3.4 Biodegradation behavior of optical monitoring platform 53
• 3.5 Chapter summary 57
• Chapter 4. Integration of multimodal sensors into biodegradable soft robot 58
• 4.1 Motivation 59
• 4.2 Design of biodegradable soft robot body 62
• 4.2.1 Material selection 62
• 4.2.2 Structural and mechanical design strategies 68
• 4.3 Integration of proprioceptive sensors 72
• 4.3.1 Proprioceptive sensor integration onto the soft robot body 72
• 4.3.2 Design and fabrication of curvature sensor 76
• 4.3.3 Design and fabrication of local strain sensor 81
• 4.4 Integration of exteroceptive sensors and functional electronics 86
• 4.4.1 Integration strategy for exteroceptive sensors 86
• 4.4.2 Design and fabrication of tactile sensor 88
• 4.4.3 Design and fabrication of pH, T, humidity sensor and functional electronics 92
• 4.5 Chapter summary 97
• Chapter 5. Demonstration of biodegradable soft robot with multimodal sensors 98
• 5.1 Motivation 99
• 5.2 Operation of multiple sensors 101
• 5.2.1 Closed-loop control 101
• 5.2.2 Real time data acquisition with integrated electronics 105
• 5.3 Practical application: plant monitoring and care 108
• 5.4 Biodegradation of soft robot 112
• 5.4.1 Biodegradation in composting environment 112
• 5.4.2 Biodegradation behavior of polymeric robotic body 114
• 5.4.3 Biodegradation behavior of inorganic electronics 117
• 5.4.4 Eco-friendly biodegradation of soft robot 120
• 5.5 Chapter summary 123
• Chapter 6. Conclusion 125
• Bibliography 127
• Abstract in Korean 147
• Acknowledgement 149