科研進(jìn)展
蘭州化物所3D打印水凝膠基仿章魚(yú)自適應粘/脫附吸盤(pán)研究獲新進(jìn)展
作為自然界的一類(lèi)“界面工程大師”—章魚(yú)，其吸盤(pán)結構依靠可形變的柔軟肌壁精確調節腔內壓力，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，又能精準控制吸附力大小，這種高度自適應特性使其在水下抓取、生物醫療等場(chǎng)景中具備不可替代的優(yōu)勢。順應機器人技術(shù)、生物工程與柔性電子等領(lǐng)域的快速發(fā)展，構建具有章魚(yú)吸盤(pán)式功能的仿生粘附器件，已成為破解傳統剛性粘附設備（如真空吸盤(pán)、電磁吸盤(pán)）在復雜界面適應性差、且易損傷脆弱目標（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(yú)吸盤(pán)研究取得一定進(jìn)展，但仍面臨兩項關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。其一，傳統制備工藝（如模壓、澆鑄成型）難以精準復刻天然吸盤(pán)復雜的多尺度層級微結構（如多級褶皺、微通道陣列），由此導致仿生吸盤(pán)的界面適形性不足、流-固耦合調控受限等問(wèn)題；其二，現有材料體系多采用單一模量的剛性或彈性基體，難以實(shí)現類(lèi)似章魚(yú)吸盤(pán)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(guò)程中易出現粘附力衰減、能量耗散偏高及脫附響應時(shí)滯等問(wèn)題。尤為關(guān)鍵的是，在深海探索等高壓高鹽液體環(huán)境中，傳統吸盤(pán)材料長(cháng)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(wèn)題，制約了其在水下機器人抓取與操作、水下爬壁與定點(diǎn)作業(yè)等場(chǎng)景中的可靠應用。
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)驗室3D打印摩擦器件組提出了一種仿生策略來(lái)解決上述問(wèn)題。研究人員首先通過(guò)強、弱氫鍵協(xié)同作用及微相分離策略制備了一種具有可調機械性能和界面剛度適應性的超分子水凝膠。隨后，又結合光固化3D打印技術(shù)設計構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)結構主要由可調曲率膜（調節吸盤(pán)脫附過(guò)程）、負壓腔和氣動(dòng)腔室組成。此外，所設計的具有不同曲率膜的水凝膠吸盤(pán)對硅、玻璃、S304和尼龍等各種粗糙表面均具有自適應粘/脫附性。
圖1. 受章魚(yú)啟發(fā)的自適應水凝膠吸盤(pán)的設計制造示意圖。
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動(dòng)、配備仿生吸盤(pán)的水凝膠夾持器，可自適應地操縱各種水下物體，不僅能應對曲面復雜的物體，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(lèi)水凝膠吸盤(pán)陣列結構集成到水下無(wú)人航行器的腹部和六足機器人的足端，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，為復雜海洋環(huán)境場(chǎng)景中的應用提供了高適形、可逆、低損的粘附手段。
上述研究深化了仿生吸盤(pán)在長(cháng)期耐久性與穩定性、強韌力學(xué)性能平衡、極端環(huán)境適應性等方面的創(chuàng )新進(jìn)展，為功能性仿生水凝膠吸盤(pán)在復雜工程場(chǎng)景中的應用奠定了基礎，有望顯著(zhù)推動(dòng)其在海工運維、機器人操作和深?？碧降雀叨斯こ虘弥械陌l(fā)展。
圖2. 自適應水凝膠吸盤(pán)在水下場(chǎng)景中的多功能演示。
圖3.?3D打印水凝膠吸盤(pán)結構在水下場(chǎng)景中的應用展示。
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)計劃、中國科學(xué)院戰略性先導專(zhuān)項（B類(lèi)）、國家自然科學(xué)基金、甘肅省科技計劃、中國科學(xué)院特別研究助理資助項目等項目的資助。
