文 ｜ 《中國科學報》 記者?葉滿山
“輕一點，再輕一點！”實驗室里，一只機械臂緩緩伸向盛在碗里的生蛋黃。圍觀的幾位科研人員屏住呼吸——蛋黃表面那層薄膜幾乎透明，任何輕微擠壓都可能前功盡棄。然而，機械臂前端的“吸盤”只是溫柔地貼住蛋黃，將其穩(wěn)穩(wěn)提起，再平穩(wěn)放回。蛋黃完好如初，甚至沒留下指痕。
這款“溫柔抓手”是中國科學院蘭州化學物理研究所（以下簡稱蘭州化物所）開發(fā)的國內(nèi)首款自適應水凝膠仿生吸盤。研究人員通過重構(gòu)章魚吸盤的“材料-結(jié)構(gòu)-功能”三重密碼，不僅實現(xiàn)了對粗糙表面的無損黏附，更讓水下機器人首次具備了“溫柔抓取”超軟物體的能力。近日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《納微快報（英文）》。
自適應水凝膠仿生吸盤在抓取蛋黃。蘭州化物所供圖
自然界的啟示：章魚吸盤的奧秘
提起吸盤，人們首先想到的大概是浴室掛鉤或工廠里的真空抓手。它們確實“一吸就牢”，但面對潮濕、粗糙或易碎物體時，卻常常失靈：抓取玻璃沒問題，抓取磨砂玻璃就漏氣；抓取金屬沒問題，抓取沾水的貝殼就滑脫；更要命的是，為了“密封”往往要用大力，導致水果被捏出坑、光學鏡片被劃出痕。
“這些痛點，章魚早在幾千萬年前就解決了。”論文通訊作者之一、蘭州化物所研究員王曉龍說。章魚每條腕足上分布著數(shù)百個吸盤，吸盤邊緣柔軟、肌肉發(fā)達的唇口可以像墊圈一樣，在肌肉控制下主動變形，貼合不平整的表面，形成瞬時水密封，能在粗糙、濕潤甚至多孔的表面上實現(xiàn)強吸附，對螃蟹、貝殼等物體進行無損傷、自適應抓取。
“如果我們能復制這一套‘智能黏附’系統(tǒng)，就能讓機器人擁有‘溫柔而有力的手’。”王曉龍說。
然而，說起來容易做起來難。傳統(tǒng)模壓、澆鑄只能做出“一張皮”，章魚的微褶皺、微通道、可變曲率膜等復雜層級結(jié)構(gòu)無法原樣照搬；再加上在深海高壓、高鹽、低溫的極端環(huán)境里，普通橡膠和塑料不是變硬就是開裂，仿生之路一度受阻。
“復制這套系統(tǒng)，必須同時突破材料和結(jié)構(gòu)兩大瓶頸。”王曉龍說。
解構(gòu)自然：材料與結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新融合
“章魚吸盤的核心能力是‘無損傷吸附、復雜表面適應、動態(tài)調(diào)控’，而水凝膠的力學可控性、動態(tài)形變能力、環(huán)境響應性恰好對應這三大需求，成為連接‘自然仿生’與‘工程應用’的關(guān)鍵橋梁。”論文通訊作者之一、蘭州化物所助理研究員劉德勝說。
自適應水凝膠仿生吸盤。蘭州化學物理研究所供圖
此前，團隊已制備出多種強韌性的水凝膠材料，但是對于仿生吸盤這種特殊設備，材料強度過高反而不好。因此，制備適合于仿生驅(qū)動器件的柔韌性水凝膠材料成為關(guān)鍵。
為此，團隊重新設計了一種“超分子水凝膠”——看起來像一塊果凍，卻兼具高韌性和可編程剛度。秘訣在于強弱氫鍵協(xié)同：弱鍵保證柔軟、可拉伸；強鍵在外力過大時“鎖死”，防止撕裂。通過微相分離技術(shù)，二者在微米尺度均勻分布，使水凝膠“既柔又韌”。
有了合適的材料，接下來就是結(jié)構(gòu)制造。“為實現(xiàn)之前所述的功能，我們設計了帶有曲率膜的吸盤結(jié)構(gòu)和多通道的仿章魚觸手結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠有效實現(xiàn)溫柔的接觸和無損的釋放。”劉德勝說。
但是，這種復雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑很難通過傳統(tǒng)的制造工藝實現(xiàn)。因此，團隊選擇光固化3D打印技術(shù)，利用其“逐層疊加”的原理，完全擺脫結(jié)構(gòu)復雜性對制造的束縛，精準設計并制造出具有不同曲率膜的仿章魚吸盤。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，吸盤實現(xiàn)了對不同表面的可靠貼合與溫和的自適應黏/脫附，解決了傳統(tǒng)仿生吸盤“吸附穩(wěn)定性差、脫附難度高”的技術(shù)痛點，為柔性仿生吸附器件的高效制備提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
“這些挑戰(zhàn)本質(zhì)上是‘自然智慧’與‘工程技術(shù)’的差距體現(xiàn)，每一步突破都需要材料、機械、生物等多學科的協(xié)同。目前，我們雖在部分技術(shù)上取得進展，但與完全復刻天然章魚吸盤的‘自適應-自感知-自修復’能力仍有差距。”王曉龍說，未來還需在仿生控制算法、智能材料研發(fā)等方面持續(xù)探索，讓仿生吸盤真正實現(xiàn)從“模仿自然”到“超越自然”的跨越。
應用前景廣闊：多級仿生，開啟無限可能
目前，團隊開發(fā)的水凝膠抓取器能夠裝配在機械臂上，通過機械臂程序控制和驅(qū)動泵系統(tǒng)控制，精準完成各種形狀物體的抓取與釋放，尤其是針對豆腐、蛋黃等超軟易損物體，能始終保持無損操作。
這種“水凝膠抓取器-機械臂”集成系統(tǒng)，為水下環(huán)境中物體的精準轉(zhuǎn)運、柔性操控提供了創(chuàng)新技術(shù)方案，在水下作業(yè)、生物醫(yī)療等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應用前景。
該系統(tǒng)有望應用于深海探測機器人，助力機器人在復雜海底環(huán)境中進行作業(yè)，也能用于柔性生產(chǎn)線機械臂，提高工業(yè)自動化水平，推動機器人在極端環(huán)境和復雜任務中的應用升級。
在生物工程方面，面對醫(yī)療領(lǐng)域?qū)Ψ乔秩胄浴⒕珳是业蛽p傷技術(shù)的迫切需求，仿生章魚吸盤的可逆黏附與生物相容性研究正不斷深入，其柔性貼合特性有望在傷后愈合、器官修復等場景中應用。
在柔性電子領(lǐng)域，將柔性傳感器嵌入仿生吸盤中可實時調(diào)控吸附力，有望實現(xiàn)“感知-驅(qū)動-黏附”一體化，為可穿戴設備、生物電子接口提供新方案。
“目前，對于深海和深空高壓、低溫、高鹽等特殊環(huán)境，我們很難在實驗室模擬其真實工況。”王曉龍?zhí)寡裕瑢τ趯嶋H的工作場景，他們還將進一步開展相關(guān)工作，希望未來研究成果能從實驗室走向湖泊、深海等實際應用場景，在這些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應用。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1007/s40820-025-01880-4
來源：《中國科學報》 (2025-09-04 第3版 綜合)
原文鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/UhSG4ks2jlvgW447Pb2ufQ
