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自適應(yīng)水凝膠仿生吸盤在抓取蛋黃。蘭州化物所供圖“輕一點(diǎn)，再輕一點(diǎn)！”實(shí)驗(yàn)室里，一只機(jī)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(jī)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(xué)院蘭州化學(xué)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(yīng)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(shí)現(xiàn)了對粗糙表面的無損黏附，更讓水下機(jī)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(bào)（英文）》。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(shí)“一吸就牢”，但面對潮濕、粗糙或易碎物體時(shí)，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?zèng)]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(dǎo)致水果被捏出坑、光學(xué)鏡片被劃出痕?！斑@些痛點(diǎn)，章魚早在幾千萬年前就解決了?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧?、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(gè)吸盤，吸盤邊緣柔軟、肌肉發(fā)達(dá)的唇口可以像墊圈一樣，在肌肉控制下主動(dòng)變形，貼合不平整的表面，形成瞬時(shí)水密封，能在粗糙、濕潤甚至多孔的表面上實(shí)現(xiàn)強(qiáng)吸附，對螃蟹、貝殼等物體進(jìn)行無損傷、自適應(yīng)抓取?！叭绻覀兡軓?fù)制這一套‘智能黏附’系統(tǒng)，就能讓機(jī)器人擁有‘溫柔而有力的手’?！蓖鯐札堈f。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(fù)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?！皬?fù)制這套系統(tǒng)，必須同時(shí)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(fù)雜表面適應(yīng)、動(dòng)態(tài)調(diào)控’，而水凝膠的力學(xué)可控性、動(dòng)態(tài)形變能力、環(huán)境響應(yīng)性恰好對應(yīng)這三大需求，成為連接‘自然仿生’與‘工程應(yīng)用’的關(guān)鍵橋梁?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧弧⑻m州化物所助理研究員劉德勝說。此前，團(tuán)隊(duì)已制備出多種強(qiáng)韌性的水凝膠材料，但是對于仿生吸盤這種特殊設(shè)備，材料強(qiáng)度過高反而不好。因此，制備適合于仿生驅(qū)動(dòng)器件的柔韌性水凝膠材料成為關(guān)鍵。為此，團(tuán)隊(duì)重新設(shè)計(jì)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(qiáng)弱氫鍵協(xié)同：弱鍵保證柔軟、可拉伸；強(qiáng)鍵在外力過大時(shí)“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(shí)現(xiàn)之前所述的功能，我們設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)溫柔的接觸和無損的釋放?！眲⒌聞僬f。但是，這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑很難通過傳統(tǒng)的制造工藝實(shí)現(xiàn)。因此，團(tuán)隊(duì)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(fù)雜性對制造的束縛，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了對不同表面的可靠貼合與溫和的自適應(yīng)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(diǎn)，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?！斑@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(jī)械、生物等多學(xué)科的協(xié)同。目前，我們雖在部分技術(shù)上取得進(jìn)展，但與完全復(fù)刻天然章魚吸盤的‘自適應(yīng)-自感知-自修復(fù)’能力仍有差距?！蓖鯐札堈f，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(shí)現(xiàn)從“模仿自然”到“超越自然”的跨越。應(yīng)用前景廣闊：多級仿生，開啟無限可能目前，團(tuán)隊(duì)開發(fā)的水凝膠抓取器能夠裝配在機(jī)械臂上，通過機(jī)械臂程序控制和驅(qū)動(dòng)泵系統(tǒng)控制，精準(zhǔn)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(jī)械臂”集成系統(tǒng)，為水下環(huán)境中物體的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)運(yùn)、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(yīng)用前景。該系統(tǒng)有望應(yīng)用于深海探測機(jī)器人，助力機(jī)器人在復(fù)雜海底環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，也能用于柔性生產(chǎn)線機(jī)械臂，提高工業(yè)自動(dòng)化水平，推動(dòng)機(jī)器人在極端環(huán)境和復(fù)雜任務(wù)中的應(yīng)用升級。在生物工程方面，面對醫(yī)療領(lǐng)域?qū)Ψ乔秩胄?、精?zhǔn)且低損傷技術(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(fù)等場景中應(yīng)用。在柔性電子領(lǐng)域，將柔性傳感器嵌入仿生吸盤中可實(shí)時(shí)調(diào)控吸附力，有望實(shí)現(xiàn)“感知-驅(qū)動(dòng)-黏附”一體化，為可穿戴設(shè)備、生物電子接口提供新方案?！澳壳?，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(shí)驗(yàn)室模擬其真實(shí)工況?！蓖鯐札?zhí)寡?，對于?shí)際的工作場景，他們還將進(jìn)一步開展相關(guān)工作，希望未來研究成果能從實(shí)驗(yàn)室走向湖泊、深海等實(shí)際應(yīng)用場景，在這些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用。相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1007/s40820-025-01880-4（原載于《中國科學(xué)報(bào)》 2025-09-04 第3版 綜合）