{"id":16807,"date":"2026-08-20T02:52:40","date_gmt":"2026-08-20T00:52:40","guid":{"rendered":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/portfolio\/ruihao-zhu\/"},"modified":"2026-08-20T02:52:48","modified_gmt":"2026-08-20T00:52:48","slug":"ruihao-zhu","status":"publish","type":"us_portfolio","link":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/portfolio\/ruihao-zhu\/","title":{"rendered":"Ruihao Zhu"},"content":{"rendered":"","protected":true},"excerpt":{"rendered":"","protected":true},"author":8,"featured_media":16808,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","template":"","meta":{"_acf_changed":false,"footnotes":""},"us_portfolio_category":[45],"class_list":["post-16807","us_portfolio","type-us_portfolio","status-publish","post-password-required","hentry","us_portfolio_category-new-template"],"acf":{"main_text":"","naam_van_het_proefschift":"From food to robot","samenvatting":"Eetbare robots klinken misschien zeer futuristisch; echter, met de groeiende aandacht voor duurzame ontwikkeling en de evoluerende maatschappelijke vraag naar functionele robots, wordt verwacht dat ze in de nabije toekomst meer belangstelling zullen krijgen. Als een nieuw concept brengt de ontwikkeling van eetbare robots veel uitdagingen en open vragen met zich mee, zoals hoe dergelijke apparaten systematisch ontworpen moeten worden, welke voedingsmiddelen geselecteerd moeten worden en welke verwerkingsstrategie\u00ebn toegepast moeten worden. Dit proefschrift behandelt deze kwesties in de verschillende hoofdstukken en verkent stapsgewijs een rationele ontwerprichtlijn voor het ontwerp en de fabricage van eetbare robots, met een focus op structurele materialen en componenten.\n\nAls startpunt van het totale onderzoek onderzocht Hoofdstuk 2 de haalbaarheid van het vervangen van conventionele technische materialen door op voedsel gebaseerde materialen als structurele componenten voor eetbare robots. Zetmeel werd geselecteerd als de primaire grondstof vanwege de lage kosten, verteerbaarheid en hoge energiedichtheid. Vriesdrogen werd gekozen als verwerkingsmethode omdat het de fabricage van poreuze, lichtgewicht, maar mechanisch sterke cryogels mogelijk maakt. Om de mechanische eigenschappen van de op zetmeel gebaseerde cryogels af te stemmen, werden twee additieven geselecteerd: cellulosevezel als versterkingsmiddel binnen de composietmatrix, en glycerol als weekmaker om de glasovergangstemperatuur aan te passen, en daarmee de flexibiliteit en stijfheid van het materiaal. Textuuranalyse toonde aan dat het verhogen van de zetmeelconcentratie in de hydrogel v\u00f3\u00f3r het vriesdrogen leidde tot een hogere dichtheid en Young's modulus van de cryogels. De toevoeging van cellulosevezels verminderde de broosheid die werd waargenomen bij pure zetmeelcryogels, wat wijst op een verbeterde weerstand tegen compressie en verbeterde stijfheid en ductiliteit. In contrast vertoonden glycerolhoudende cryogels een hoge samendrukbaarheid en waren ze in staat hun oorspronkelijke vorm te herstellen na het loslaten van compressiespanning. Bovendien vergrootte glycerol het strain-hardening gebied van de op zetmeel gebaseerde cryogels, waardoor het materiaal kon buigen zonder te breken. Ten slotte werd een Ashby-plot geconstrueerd om de dichtheid en Young's modulus van de op zetmeel gebaseerde cryogels te vergelijken met gangbare voedingsmiddelen en een typisch technisch schuim (ge\u00ebxpandeerd polypropyleen, EPP). De cryogels vertonen een lagere dichtheid en hogere stijfheid dan conventionele voedingsmiddelen, terwijl hun algemene mechanische prestaties vergelijkbaar zijn met die van EPP-schuim. Deze resultaten geven aan dat de mechanische eigenschappen van op zetmeel gebaseerde cryogels effectief kunnen worden afgestemd met additieven op micro- en mesoschaal, wat hun potenti\u00eble toepassing als structurele materialen voor eetbare robottoepassingen ondersteunt.\n\nNa de karakterisering van zetmeelcryogel onderzocht Hoofdstuk 3 hoe dit verwerkt kan worden tot functionele robotcomponenten. Om de structurele ontwerpvrijheid te vergroten, werd 3D-printen gecombineerd met vriesdrogen. Terwijl een constante totale invuldichtheid van de 3D-geprinte zetmeelcryogel werd gehandhaafd, werd de relatie tussen mechanische prestaties en geometrische ontwerpparameters systematisch onderzocht, met de nadruk op invulpatronen en diktes van de buitenomtrek. Textuuranalyse toonde aan dat het verhogen van de dikte van de buitenomtrek leidde tot een hogere structurele stijfheid en totale dichtheid. Het invulpatroon had ook een aanzienlijke invloed op de mechanische eigenschappen: lineaire en vierkante invulpatronen met alleen horizontale en verticale structuren vertoonden een grotere ductiliteit, terwijl geometrie\u00ebn met diagonale steunen, zoals driehoekige en zeshoekige patronen, een hogere stijfheid vertoonden. Verder werd digitale beeldcorrelatie toegepast om de fractuurmechanica van de 3D-geprinte cryogels tijdens compressie te analyseren, waardoor de eerder gepresenteerde bevindingen werden gevalideerd. Als bewijs van concept voor het gebruik van de cryogels werd een gedeeltelijk eetbaar zweefvliegtuig vervaardigd. De vleugelribben werden vervaardigd met een driehoekig invulpatroon met twee buitenomtrekken, wat de hoogste specifieke modulus opleverde. Het anti-botsingsonderdeel gebruikte een lineair invulpatroon met een enkele buitenomtrek om een grotere ductiliteit te bereiken. Het gedeeltelijk eetbare zweefvliegtuig was in staat tot een stabiele vlucht. Over het geheel genomen toont deze studie aan dat geometrisch ontwerp de mechanische eigenschappen van 3D-geprinte op zetmeel gebaseerde cryogels op macroschaal effectief kan afstemmen, waardoor hun gebruik als structurele componenten in eetbare robotsystemen mogelijk wordt.\n\nBouwend op de kennis over materiaalselectie en structureel ontwerp van eetbare robots die in Hoofdstuk 2 en Hoofdstuk 3 is opgedaan, demonstreerde Hoofdstuk 4 de toepassing van deze bevindingen bij de ontwikkeling van een eetbare zelfdraaiende flyer als noodvoedselvoorziening. Ge\u00efnspireerd door het natuurlijke esdoornzaad, werd het systeem verdeeld in drie functionele delen: een vleugelstructuur vervaardigd door middel van warmpersen, een randframe vervaardigd door middel van 3D-printen gecombineerd met vriesdrogen, en een gegoten payload gemaakt van aanvullende voedingscomponenten. Zetmeel-natriumcase\u00efnaat-composiet werd gebruikt om een dunne vleugelstructuur te vervaardigen door middel van warmpersen gevolgd door convectief drogen. De vleugelstructuur was mechanisch robuust en vertoonde een grote Young's modulus. Een andere composiet met een andere formulering werd gebruikt om het randframe te vervaardigen met behulp van 3D-printen gecombineerd met vriesdrogen. Het gefabriceerde randframe bood een optimale balans tussen printbaarheid en mechanische sterkte. Na assemblage van de drie componenten werd de complete eetbare robot gekarakteriseerd door de zelfdraaiende beweging en het voedingsprofiel. De resultaten toonden aan dat de gefabriceerde zelfdraaiende flyer een aerodynamische effici\u00ebntie bereikte die vergelijkbaar was met die van een natuurlijk esdoornzaad, terwijl de voedingssamenstelling voldeed aan de vereisten voor een uitgebalanceerde voeding voor noodvoedselvoorziening. Deze bevindingen wijzen erop dat de eetbare zelfdraaiende flyer geschikt is voor voedseldistributie in noodscenario's en valideren verder de haalbaarheid van de systematische aanpak die is gehanteerd voor het ontwerp van eetbare robots.\n\nNa het succesvolle ontwerp en de fabricage van een eetbare robot die alleen uit structurele componenten bestond, verkende en ontwikkelde Hoofdstuk 5 verder eetbare robots met extra functionele componenten; specifiek het ontwerp, de modellering en de fabricage van een volledig biologisch afbreekbare, eetbare zelfaangedreven aquatische robot. Het systeem bestond uit twee hoofdonderdelen: een bootvormig lichaam dat zorgt voor drijfvermogen en directionele beweging, en een flu\u00efdische actuator om beweging te genereren. Voor het bootvormige lichaam werd gieten gecombineerd met vriesdrogen toegepast om de structurele integriteit van het eindproduct te waarborgen. Waterabsorptietesten en texturele analyse toonde aan dat voederpellets die voornamelijk uit zetmeel bestaan, een optimale structurele integriteit en de laagste waterabsorptiegraad vertonen na toevoeging van gelatine, waardoor dit het meest geschikte composietmateriaal is voor de lichaamsstructuur. De flu\u00efdische actuator is een afgesloten structuur, die werd bereikt door gelatine te gieten en aan de lucht te drogen. Na integratie van de twee componenten bevestigde experimentele validatie dat de geselecteerde materialen en fabricagemethoden de ontworpen eetbare aquatische robot in staat stelden effectief in water te functioneren. Dit werk demonstreerde verder de haalbaarheid van de systematische aanpak die voor het ontwerp van eetbare robots is gehanteerd.\n\nNa de verkenning van eetbare robots van materiaalselectie tot structurele configuratie en algemeen systeemontwerp, reflecteerde Hoofdstuk 6 op de belangrijkste bevindingen van dit proefschrift. Er werden verder twee sets rationele ontwerprichtlijnen voor de ontwikkeling van eetbare robots samengevat. Bij het integreren van voedingsmaterialen in eetbare structurele componenten kan een ontwerpkader op vier schalen, beginnend van de nanoschaal tot de macroschaal, worden gebruikt om de materiaalstructurering en prestatie-optimalisatie systematisch te begeleiden. Voor het totale ontwerp van eetbare robots kan een systematische aanpak inclusief applicatiedefinitie, structureel ontwerp, fabricage en validatie worden gevolgd om functionele integratie en betrouwbaarheid te garanderen. Daarnaast worden enkele aanbevelingen voor de toekomstige ontwikkeling van eetbare robots voorgesteld om verder onderzoek te vergemakkelijken.\n\nOver het geheel genomen volgt dit proefschrift een raamwerk, van materialen naar structuren en uiteindelijk naar complete eetbare robotsystemen. De resultaten laten zien hoe conventionele technische materialen kunnen worden vervangen door voedingsmaterialen om structurele componenten te fabriceren in eetbare robottoepassingen, en hoe deze componenten systematisch kunnen worden ge\u00efntegreerd in functionele robots. De uitkomsten van dit proefschrift bieden toekomstige onderzoekers een systematische en effici\u00ebnte strategie voor het ontwikkelen van diverse eetbare robots.","summary":"Edible robots may sound highly futuristic; however, with growing consideration of sustainable development and the evolving societal demands for functional robots, they are expected to gain interest in the foreseeable future. As a novel concept, the development of edible robots presents many challenges and open questions, such as how to systematically design such devices, which food materials should be selected, and what processing strategies need to be employed. This thesis addresses these issues across its chapters, progressively exploring a rational design guideline for the design and fabrication of edible robots, with a focus on structural materials and components.\n\nAs the starting point of the overall research, Chapter 2 investigated the feasibility of replacing conventional engineering materials with food-based materials as structural components for edible robots. Starch was selected as the primary raw material due to its low cost, digestibility, and high energy density. Freeze-drying was selected as the processing method because it enables the fabrication of porous, lightweight, yet mechanically strong cryogels. To tune the mechanical properties of the starch-based cryogels, two additives were selected: cellulose fibre as a reinforcing agent within the composite matrix, and glycerol as a plasticizer to tune the glass transition temperature, and thus the flexibility and rigidity of the material. Textural analysis demonstrated that increasing the starch concentration in the hydrogel before freeze-drying resulted in higher density and Young\u2019s modulus of the cryogels. The incorporation of cellulose fibre reduced the brittleness observed in pure starch cryogels, indicating enhanced resistance to compression and improved stiffness and ductility. In contrast, glycerol-containing cryogels exhibited high compressibility and were able to recover their original shape upon release of compressive stress. Additionally, glycerol increased the strain-hardening region of the starch-based cryogels, enabling the material to bend without fracture. Finally, an Ashby plot was constructed to compare the density and Young\u2019s modulus of the starch-based cryogels with common food materials and a typical engineering foam (expanded polypropylene, EPP). The cryogels exhibit lower density and higher stiffness than conventional food materials, while their overall mechanical performance is comparable to that of EPP foam. These results indicate that the mechanical properties of starch-based cryogels can be effectively tuned with additives at micro- and mesoscale, supporting their potential application as structural materials for edible robot applications.\n\nFollowing the characterisation of starch-based cryogel, Chapter 3 investigated how it can be processed into functional robotic components. To increase structural design freedom, 3D printing was combined with freeze-drying. While maintaining a constant overall infill density of the 3D-printed starch cryogel, the relationship between mechanical performance and geometric design parameters was systematically examined, focusing on infill patterns and outer perimeter thicknesses. Textural analysis showed that increasing the outer perimeter thickness led to higher structural stiffness and overall density. The infill pattern also significantly influenced the mechanical properties: linear and square infill patterns with only horizontal and vertical structures exhibited greater ductility, whereas geometries with diagonal supports, such as triangular and hexagonal patterns, exhibited higher stiffness. Furthermore, digital image correlation was applied to analyse the fracture mechanics of the 3D-printed cryogels during compression, thereby validating the findings presented earlier. As a proof of concept for the use of the cryogels, a partially edible glider was fabricated. The wing ribs were fabricated using a triangular infill pattern with two outer perimeters, which provided the highest specific modulus. The anti-collision part used a linear infill pattern with a single outer perimeter to achieve greater ductility. The partially edible glider was capable of stable gliding. Overall, this study demonstrates that geometric design can effectively tune the mechanical properties of 3D-printed starch-based cryogels at macroscale, enabling their use as structural components in edible robotic systems.\n\nBuilding upon the knowledge of material selection and structural design of edible robots established in Chapters 2 and Chapter 3, Chapter 4 demonstrated the application of these findings in the development of an edible self-spinning flyer as an emergency food supply. Inspired by the natural maple seed, the system was divided into three functional parts: a wing structure fabricated by hot-press moulding, an edge frame fabricated by 3D printing combined with freeze-drying, and a moulded payload made from additional nutritional components. Starch-sodium caseinate composite was used to fabricate a thin wing structure by using hot-press moulding followed by convective drying. The wing structure was mechanically robust and exhibited a large Young\u2019s modulus. Another composite with different formulation was used to fabricate the edge frame by using 3D printing combined with freeze-drying. The fabricated edge frame provided an optimal balance between printability and mechanical strength. After assembly of the three components, the complete edible robot was characterised by self-spinning motion and nutritional profile. The results demonstrated that the fabricated self-spinning flyer achieved aerodynamic efficiency comparable to that of a natural maple seed, while its nutritional composition met the requirements for balanced nutrient for emergency food supply. These findings indicate that the edible self-spinning flyer is suitable for nutritional delivery in emergency scenarios and further validate the feasibility of the systematic approach adopted for the design of edible robots.\n\nFollowing the successful design and fabrication of an edible robot composed only of structural components, Chapter 5 further explored and developed edible robots with additional functional components; specifically, the design, modelling, and fabrication of a fully biodegradable edible self-propelled aquatic robot. The system consisted of two main parts: a boat-shaped body that provides buoyancy and directional motion, and a fluidic actuator to generate motion. For the boat-shaped body, moulding combined with freeze-drying was employed to ensure structural integrity of the final product. Water absorption tests and textural analysis demonstrated that feed pellets primarily composed of starch exhibit optimal structural integrity and the lowest water absorption rate after the addition of gelatine, making it the most suitable composite material for the body structure. The fluidic actuator is a sealed structure, which was achieved by moulding gelatine and air drying. After integrating the two components, experimental validation confirmed that the selected materials and fabrication methods allowed the designed edible aquatic robot to function effectively in water. This work further demonstrated the feasibility of the systematic approach adopted for the design of edible robots.\n\nAfter the exploration of edible robots from material selection to structural configuration and overall system design, Chapter 6 reflected on the major findings of this thesis. It further summarized two sets of rational design guidelines for the development of edible robots. When incorporating food materials into edible structural components, a four scale design framework starting from the nanoscale to the macroscale can be employed to systematically guide material structuring and performance optimization. For the over-all edible robot design, a systematic approach including application definition, structural design, fabrication, and validation can be adopted to ensure functional integration and reliability. In addition, some recommendations for the future development of edible robots are proposed to facilitate further research.\n\nOverall, this thesis follows a framework, from materials to structures and ultimately to complete edible robotic systems. The results demonstrate how conventional engineering materials can be replaced with food materials to fabricate structural components in edible robot applications, and how these components can be systematically integrated into functional robots. The outcomes of this thesis provide future researchers with a systematic and efficient strategy for developing diverse edible robots.","auteur":"Ruihao Zhu","auteur_slug":"ruihao-zhu","publicatiedatum":"11 september 2026","taal":"EN","url_flipbook":"https:\/\/ebook.proefschriftmaken.nl\/ebook\/ruihaozhu?iframe=true","url_download_pdf":"https:\/\/ebook.proefschriftmaken.nl\/download\/d7c0678f-c347-4a98-8023-097175635d5b\/highres","url_epub":"","ordernummer":"19268","isbn":"978-94-6534-570-3","doi_nummer":"","naam_universiteit":"Wageningen University","afbeeldingen":16809,"video_url":"","podcast_url":"","naam_student:":"","binnenwerk":"","universiteit":"Wageningen University","cover":"","afwerking":"","cover_afwerking":"","design":""},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/16807","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/us_portfolio"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/users\/8"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=16807"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/16807\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":16810,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/16807\/revisions\/16810"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media\/16808"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=16807"}],"wp:term":[{"taxonomy":"us_portfolio_category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio_category?post=16807"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}