科研進(jìn)展
蘭州化物所3D打印水凝膠基仿章魚自適應(yīng)粘/脫附吸盤研究獲新進(jìn)展
作為自然界的一類“界面工程大師”—章魚，其吸盤結(jié)構(gòu)依靠可形變的柔軟肌壁精確調(diào)節(jié)腔內(nèi)壓力，既能在干濕環(huán)境、光滑與粗糙表面間迅速完成粘/脫附切換，又能精準(zhǔn)控制吸附力大小，這種高度自適應(yīng)特性使其在水下抓取、生物醫(yī)療等場景中具備不可替代的優(yōu)勢。順應(yīng)機(jī)器人技術(shù)、生物工程與柔性電子等領(lǐng)域的快速發(fā)展，構(gòu)建具有章魚吸盤式功能的仿生粘附器件，已成為破解傳統(tǒng)剛性粘附設(shè)備（如真空吸盤、電磁吸盤）在復(fù)雜界面適應(yīng)性差、且易損傷脆弱目標(biāo)（如生物組織、精密零件）等痛點(diǎn)的關(guān)鍵路徑。
盡管仿生章魚吸盤研究取得一定進(jìn)展，但仍面臨兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。其一，傳統(tǒng)制備工藝（如模壓、澆鑄成型）難以精準(zhǔn)復(fù)刻天然吸盤復(fù)雜的多尺度層級微結(jié)構(gòu)（如多級褶皺、微通道陣列），由此導(dǎo)致仿生吸盤的界面適形性不足、流-固耦合調(diào)控受限等問題；其二，現(xiàn)有材料體系多采用單一模量的剛性或彈性基體，難以實(shí)現(xiàn)類似章魚吸盤肌壁的高柔韌性與可控形變的協(xié)同，因而在動(dòng)態(tài)粘附過程中易出現(xiàn)粘附力衰減、能量耗散偏高及脫附響應(yīng)時(shí)滯等問題。尤為關(guān)鍵的是，在深海探索等高壓高鹽液體環(huán)境中，傳統(tǒng)吸盤材料長期在水下環(huán)境中使用易造成粘附與力學(xué)性能易衰減等環(huán)境魯棒性不足等問題，制約了其在水下機(jī)器人抓取與操作、水下爬壁與定點(diǎn)作業(yè)等場景中的可靠應(yīng)用。
近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3D打印摩擦器件組提出了一種仿生策略來解決上述問題。研究人員首先通過強(qiáng)、弱氫鍵協(xié)同作用及微相分離策略制備了一種具有可調(diào)機(jī)械性能和界面剛度適應(yīng)性的超分子水凝膠。隨后，又結(jié)合光固化3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)構(gòu)建了一種具有可切換粘附性能的水凝膠仿生吸盤，該吸盤結(jié)構(gòu)主要由可調(diào)曲率膜（調(diào)節(jié)吸盤脫附過程）、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對硅、玻璃、S304和尼龍等各種粗糙表面均具有自適應(yīng)粘/脫附性。
圖1. 受章魚啟發(fā)的自適應(yīng)水凝膠吸盤的設(shè)計(jì)制造示意圖。
為進(jìn)一步凸顯非破壞性粘附的實(shí)用性，研究人員研制了一款采用液壓驅(qū)動(dòng)、配備仿生吸盤的水凝膠夾持器，可自適應(yīng)地操縱各種水下物體，不僅能應(yīng)對曲面復(fù)雜的物體，甚至還能溫和處理蛋黃、豆腐塊等極為脆弱的食品。 此外，研究人員將這類水凝膠吸盤陣列結(jié)構(gòu)集成到水下無人航行器的腹部和六足機(jī)器人的足端，從而賦予其水下操控物體、定點(diǎn)停留及表面爬行等特殊功能，為復(fù)雜海洋環(huán)境場景中的應(yīng)用提供了高適形、可逆、低損的粘附手段。
上述研究深化了仿生吸盤在長期耐久性與穩(wěn)定性、強(qiáng)韌力學(xué)性能平衡、極端環(huán)境適應(yīng)性等方面的創(chuàng)新進(jìn)展，為功能性仿生水凝膠吸盤在復(fù)雜工程場景中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，有望顯著推動(dòng)其在海工運(yùn)維、機(jī)器人操作和深?？碧降雀叨斯こ虘?yīng)用中的發(fā)展。
圖2. 自適應(yīng)水凝膠吸盤在水下場景中的多功能演示。
圖3.?3D打印水凝膠吸盤結(jié)構(gòu)在水下場景中的應(yīng)用展示。
相關(guān)研究工作以“Octopus-Inspired Self-Adaptive Hydrogel Gripper Capable of Manipulating Ultrasoft Object”為題發(fā)表在Nano-Micro Letters（Nano-Micro Letters,2026,18: 33；https://doi.org/10.1007/s40820-025-01880-4）上。石河子大學(xué)聯(lián)培博士生汪祎賢為論文第一作者，石河子大學(xué)賈鑫教授、蘭州化物所劉德勝助理研究員和王曉龍研究員為共同通訊作者。
上述研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)（B類）、國家自然科學(xué)基金、甘肅省科技計(jì)劃、中國科學(xué)院特別研究助理資助項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。
