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【科普中國(guó)】向章魚(yú)“取經(jīng)”，3D打印出能抓蛋黃的水凝膠抓手
出品：科普中國(guó)
作者：汪祎賢，劉德勝，王曉龍（中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所）
監(jiān)制：中國(guó)科普博覽
在神秘的海底世界，章魚(yú)是當(dāng)之無(wú)愧的 “捕獵高手”。而它的秘密武器，正是那幾條靈活又強(qiáng)悍、布滿吸盤(pán)的靈活觸手。你可別小看這些小小的“圓盤(pán)子”，它們能讓章魚(yú)創(chuàng)造出令人驚嘆的 “魔法”：無(wú)論是在光滑的巖石、堅(jiān)硬的貝殼，甚至快速游動(dòng)的小魚(yú)身上“一貼即合”，仿佛擁有無(wú)形的引力！更神奇的是，當(dāng)章魚(yú)想要松開(kāi)時(shí)，又能瞬間脫離，絲毫不傷獵物分毫。這種 “收放自如、溫柔有力” 的吸附本領(lǐng)，不僅是章魚(yú)在海底生存的法寶，也點(diǎn)燃了科學(xué)家的靈感：我們能不能也做出像章魚(yú)觸手這樣又軟又穩(wěn)的“機(jī)械手”呢？
章魚(yú)結(jié)構(gòu)圖
（圖片來(lái)源：Current Biology 2024,34,20：4767-4773）
回過(guò)頭來(lái)看看我們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)生產(chǎn)中常用的傳統(tǒng)機(jī)械抓手——比如工廠里夾取零件的鐵爪，或者玩具機(jī)器人硬邦邦的塑料手——它們?cè)谔幚硪恍┚?xì)任務(wù)，尤其是在水下工作時(shí)，就顯得有點(diǎn)“笨手笨腳”了。比如說(shuō)，要想抓一塊嫩豆腐或者一顆生蛋黃，傳統(tǒng)機(jī)械手一用力就碎；在水下打撈珍貴樣品或者精密儀器時(shí)，它們又常常抓不緊、拿不穩(wěn)，甚至不小心把東西弄壞。
章魚(yú)觸手與傳統(tǒng)機(jī)械抓手的巨大反差，讓科學(xué)家們萌生了一個(gè)大膽的想法：要向章魚(yú)“取經(jīng)”，研發(fā)出更靈活、更精細(xì)的人造抓手。
向自然“取經(jīng)”：章魚(yú)觸手帶來(lái)的科學(xué)難題
想要復(fù)刻章魚(yú)觸手的神奇能力，科學(xué)家們首先就面臨著兩大棘手難題。
第一個(gè)難題是 “造不出”。章魚(yú)觸手的內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其精密，布滿了復(fù)雜的肌肉纖維和神經(jīng)組織，外部又布滿了大大小小的吸盤(pán)結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)相互配合，才能實(shí)現(xiàn)靈活的彎曲和精準(zhǔn)的吸附。而人類(lèi)工廠里常用的制造方法，比如注塑、切削等，大多只能生產(chǎn)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的零部件，很難復(fù)刻出章魚(yú)觸手這種復(fù)雜且具有多層結(jié)構(gòu)的柔性部件。即便勉強(qiáng)制造，也無(wú)法保證各部分結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作，自然難以達(dá)到章魚(yú)觸手的性能。
第二個(gè)難題是 “材料不行”。章魚(yú)的觸手之所以能在實(shí)現(xiàn)柔軟變形的同時(shí)，還保持強(qiáng)大的韌性和穩(wěn)固性，關(guān)鍵在于其獨(dú)特的身體組織材料。這種材料既要有足夠的彈性，能夠貼合不同形狀的物體表面；又要有一定的強(qiáng)度，防止在抓取過(guò)程中斷裂。然而，我們常用的材料總是“偏科”：橡膠材料雖然有一定的彈性，但強(qiáng)度不足，在水下長(zhǎng)期使用容易老化損壞；金屬材料強(qiáng)度足夠，但過(guò)于堅(jiān)硬，無(wú)法實(shí)現(xiàn)柔軟變形，根本沒(méi)法溫柔抓取。更麻煩的是，很多材料在水下環(huán)境中，其性能會(huì)大幅下降，要么吸附力減弱，要么容易被水腐蝕，根本無(wú)法適應(yīng)水下作業(yè)需求。
破解之道：當(dāng)水凝膠遇見(jiàn)3D打印
就在科學(xué)家們發(fā)愁的時(shí)候，兩樣新技術(shù)的結(jié)合帶來(lái)了轉(zhuǎn)機(jī)：科學(xué)家們找到了破解之道——將“新型水凝膠”與“3D 打印技術(shù)”相結(jié)合，成功復(fù)刻出了章魚(yú)觸手的“精髓”。
首先是新材料的突破。科學(xué)家們研發(fā)出一種新型水凝膠，這種水凝膠的秘密在于其特殊的分子結(jié)構(gòu)。它模擬了生物組織中的分子鍵，通過(guò)多種強(qiáng)弱氫鍵之間的協(xié)同作用和微相分離過(guò)程，讓水凝膠既擁有了像橡膠一樣的柔軟彈性，能夠輕松彎曲變形，又具備了一定的強(qiáng)韌度。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，這種新型水凝膠在拉伸時(shí)可以延伸到自身長(zhǎng)度的數(shù)倍，且在承受一定重量時(shí)不會(huì)斷裂；更重要的是，它本身含有大量水分，與人體組織和海洋環(huán)境的相容性極好，在水下不僅不會(huì)失效，反而能保持穩(wěn)定的性能，完美解決了傳統(tǒng)材料“剛?cè)犭y兼顧、水下易失效” 的問(wèn)題。
有了合適的材料，接下來(lái)就是如何制造出復(fù)雜的仿生結(jié)構(gòu)。這時(shí)候3D 打印技術(shù)恰好解決了這一難題。傳統(tǒng)制造工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在3D 打印技術(shù)面前變得不再困難。
研究者們以自然界中章魚(yú)的漏斗吸盤(pán)結(jié)構(gòu)與柔性觸手為仿生原型，首先構(gòu)建了一種具有可切換粘附性能的水凝膠仿生吸盤(pán)。該吸盤(pán)結(jié)構(gòu)主要由可調(diào)曲率膜（調(diào)節(jié)吸盤(pán)脫附過(guò)程）、負(fù)壓腔和氣動(dòng)腔室組成。此外，所設(shè)計(jì)的具有不同曲率膜的水凝膠吸盤(pán)對(duì)硅、玻璃、S304和尼龍等各種粗糙表面均具有自適應(yīng)粘/脫附性。隨后，研究者對(duì)章魚(yú)觸手的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更新設(shè)計(jì)，并將仿生吸盤(pán)與其相匹配，創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)出了一款具有多重通道結(jié)構(gòu)的液壓驅(qū)動(dòng)水凝膠抓取器。這些內(nèi)部通道可以通過(guò)控制氣壓或液壓，調(diào)節(jié)吸盤(pán)的吸附力，也能夠調(diào)節(jié)觸手的彎曲和回復(fù)，實(shí)現(xiàn)“牢牢吸附”與“快速脫離”的切換；通過(guò)這種方式，3D 打印技術(shù)一舉攻克了傳統(tǒng)工藝難以制造復(fù)雜柔性結(jié)構(gòu)的難題，讓人造觸手的 “復(fù)刻” 成為現(xiàn)實(shí)。
“溫柔而強(qiáng)大”：水凝膠抓手的三大絕技
這個(gè)結(jié)合了仿生設(shè)計(jì)與新材料技術(shù)的“人造章魚(yú)手”，到底有多厲害呢？一句話就是“溫柔而強(qiáng)大”，具體我們可以用三個(gè)特點(diǎn)來(lái)總結(jié)：
它的第一個(gè)優(yōu)勢(shì)是“吸附廣”。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，這種人造抓手可以在多種常見(jiàn)材質(zhì)表面實(shí)現(xiàn)牢固吸附與快速脫離，無(wú)論是玻璃、金屬、塑料等硬質(zhì)材料，還是橡膠、布料等軟質(zhì)材料，甚至是帶有一定弧度或不規(guī)則形狀的物體表面，它都能緊密貼合，產(chǎn)生穩(wěn)定的吸附力。更令人驚喜的是，在水下環(huán)境中，它的吸附性能絲毫不受影響，這是傳統(tǒng)機(jī)械抓手無(wú)法比擬的。
第二個(gè)優(yōu)勢(shì)是“不損傷”，這也是它最核心的亮點(diǎn)。由于新型水凝膠具有優(yōu)異的柔軟性和彈性，在抓取物體時(shí)，帶有“曲率膜”的吸盤(pán)能夠最大程度地貼合物體表面，分散抓取力，避免局部壓力過(guò)大導(dǎo)致物體損壞?？茖W(xué)家們做過(guò)一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)：用這種人造抓手抓取蛋黃。結(jié)果顯示，抓手能夠穩(wěn)穩(wěn)地將蛋黃抓起，并且在移動(dòng)和放下的過(guò)程中，蛋黃完好無(wú)損，甚至連蛋黃膜都沒(méi)有出現(xiàn)絲毫破裂。除此之外，它還能輕松抓取豆腐、果凍等極其脆弱的物品，真正實(shí)現(xiàn)了“溫柔” 抓取，解決了傳統(tǒng)機(jī)械抓手在精細(xì)操作中的痛點(diǎn)。
圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所
第三個(gè)優(yōu)勢(shì)是“應(yīng)用遠(yuǎn)”。這款人造抓手的出現(xiàn)，為多個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)了全新的可能。在水下機(jī)器人領(lǐng)域，它可以作為機(jī)器人的“手”，用于抓取脆弱的生物樣本；還能將水凝膠吸盤(pán)集成到水下無(wú)人航行器、爬行機(jī)器人等設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)水下駐停、爬行、航行等多種應(yīng)用，有望在海洋設(shè)備維護(hù)、水下考古和深海探索等多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。在精密制造領(lǐng)域，它有望能能夠用于電子元件的組裝，抓取微小且脆弱的芯片、傳感器等，提高制造精度和效率；在未來(lái)醫(yī)療領(lǐng)域，它有望成為手術(shù)機(jī)器人的重要組成部分，在微創(chuàng)手術(shù)中抓取微小的組織器官，減少手術(shù)對(duì)患者的創(chuàng)傷。此外，在食品加工、物流分揀等領(lǐng)域，它也能發(fā)揮重要作用，推動(dòng)這些行業(yè)向更精細(xì)、更高效的方向發(fā)展。
圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所
從章魚(yú)的觸手到 3D 打印水凝膠抓手，這項(xiàng)研究不僅成功解決了傳統(tǒng)機(jī)械抓手在精細(xì)操作和水下場(chǎng)景中的不足，更向我們展現(xiàn)了一種全新的科技研發(fā)思路——向自然學(xué)習(xí)。大自然經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化，孕育出了無(wú)數(shù)具有神奇能力的生物，它們的身體結(jié)構(gòu)、生理功能都蘊(yùn)含著精妙的設(shè)計(jì)和智慧。
從章魚(yú)觸手的神奇能力中汲取靈感，用新型水凝膠材料突破性能瓶頸，再借助 3D 打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造，這款能抓蛋黃的水凝膠抓手，不僅是一項(xiàng)技術(shù)突破，更向我們展示了 “向自然學(xué)習(xí)” 的巨大潛力。在科技發(fā)展的道路上，自然永遠(yuǎn)是最好的老師，那些經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年進(jìn)化篩選出的生物特性，往往能為我們解決“硬核”工程難題提供意想不到的思路。相信未來(lái)，隨著仿生科技的不斷發(fā)展，還會(huì)有更多從自然中獲得靈感的發(fā)明創(chuàng)造，為我們的生活帶來(lái)更多驚喜與改變。
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