“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——蛋黃表面那層薄膜薄到幾乎透明，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，穩穩提起，再平穩放回。蛋黃完好如初，甚至沒留下指紋。
近日，中國科學院蘭州化學物理研究所潤滑材料全國重點實驗室3D打印摩擦器件組，通過重構章魚吸盤的“材料-結構-功能”三重密碼，成功開發出全球首款自適應水凝膠仿生吸盤。該成果不僅實現了對粗糙表面的無損粘附，更讓水下機器人首次具備了“溫柔抓取”超軟物體的能力，相關論文發表于《納米微米快報》（Nano-Micro Letters）。
自適應水凝膠仿生吸盤在抓取蛋黃。蘭州化學物理研究所供圖。
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：玻璃沒問題，磨砂玻璃就漏氣；金屬沒問題，沾水的貝殼就滑脫；更要命的是，為了“密封”往往要用大力，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。”中國科學院蘭州化學物理研究所潤滑材料全國重點實驗室研究員王曉龍說。章魚每條腕足上分布著數百個吸盤，吸盤邊緣的柔軟、肌肉發達的唇口可以像墊圈一樣，在肌肉控制下主動變形，貼合微觀不平整的表面，形成瞬時水密封，能在粗糙、濕潤甚至多孔的表面上實現強吸附。整個吸盤由柔軟的組織構成，其接觸面是順應性的。實現了對螃蟹、貝殼等物體的“無損傷”和“自適應”抓取。
“如果我們能復制這一套‘智能粘附’系統，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構無法原樣照搬；再加上深海高壓、高鹽、低溫的極端環境，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，必須同時突破材料和結構兩大瓶頸。”王曉龍說。
自適應水凝膠仿生吸盤。蘭州化學物理研究所供圖。
解構自然：材料與結構的創新融合
要復制章魚吸盤的功能，研究團隊面臨兩大難題。材料方面，傳統水凝膠要么太軟易破，要么太硬不夠柔韌，難以同時做到“柔軟”又“堅韌”；制造上，章魚吸盤內部精細的褶皺和微通道結構，用傳統模壓、澆鑄方法根本做不出來，導致仿生吸盤難以達到天然吸盤的適應性和耦合能力。
所以，團隊最大的挑戰就是如何精準復刻出章魚吸盤那復雜又實用的功能。
助理研究員劉德勝說：“團隊首先從材料出發，天然章魚吸盤的核心能力是‘無損傷吸附、復雜表面適應、動態調控’，而水凝膠的力學可控性、動態形變能力、環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”的關鍵橋梁。”
在之前的研究基礎上，團隊已經制備過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，材料的強度過高反而不好。因此，制備適合于仿生驅動器件的柔韌性水凝膠材料成為了我們迫切的需求。
為此，團隊重新設計了一種“超分子水凝膠”——看起來是一塊果凍，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，二者在微米尺度均勻分布，實現了“既柔且韌”。
劉德勝說：“有了合適的材料，接下來就是結構制造。為了實現之前所述的功能，團隊設計了帶有曲率膜的吸盤結構和多通道的仿章魚觸手結構，這種結構能夠有效的實現溫柔的接觸和無損的釋放功能。”
但是，這種復雜結構的構筑很難通過傳統的制造工藝實現。因此，團隊選擇光固化3D打印技術，利用其“逐層疊加”的原理，完全擺脫結構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。通過結構優化，吸盤實現了對不同表面的可靠貼合與溫和的自適應粘/脫附，突破了傳統仿生吸盤“吸附穩定性差、脫附難度高”的技術痛點，為柔性仿生吸附器件的高效制備提供了關鍵技術支撐。
“這些挑戰本質上是‘自然智慧’”與‘工程技術’的差距體現，每一步突破都需要材料、機械、生物等多學科的協同。目前我們雖在部分技術上取得進展，但距離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。”王曉龍解釋，未來還需在仿生控制算法、智能材料研發等方面持續探索，讓仿生吸盤真正實現從“模仿自然”到“超越自然”的跨越。
3D打印水凝膠吸盤結構在水下場景中的應用展示。蘭州化學物理研究所供圖。應用前景廣闊：多級仿生，開啟無限可能
據悉，目前團隊研究的水凝膠抓取器能夠裝配在機械手上，通過機械手程序控制和驅動泵系統的控制可精準完成各類形狀物體的抓取與釋放，尤其針對豆腐、蛋黃等超軟易損物體，能始終保持無損操作。
這種“水凝膠軟抓取器-機械臂”集成系統，為水下環境中物體的精準轉運、柔性操控提供了創新技術方案，在水下作業、生物醫療（如水下軟組織轉運）等領域展現出廣闊應用潛力。
“我們通過對章魚吸盤可形變肌壁和腔內壓力精確調節原理的研究，就能設計出適應不同表面的含吸盤的自適應抓手。”劉德勝表示，未來，通過裝配這種吸盤有望應用于深海探測機器人，助力其在復雜海底環境進行作業，也能用于柔性生產線機械臂，提高工業自動化水平，推動機器人在極端環境和復雜任務中的應用升級。
其次，在生物工程方面，面對醫療領域對非侵入性、精準且低損傷的技術需求迫切。仿生章魚吸盤的可逆粘附與生物相容性研究正不斷深入。通過章魚吸盤柔性貼合機制，有望拓展其在傷后愈合、器官修復等場景的應用。
最后，在柔性電子領域，將柔性傳感器嵌入仿生吸盤當中，能夠實現吸附力的實時調控，有望實現“感知-驅動-粘附”一體化的創新。為可穿戴設備、生物電子接口提供了新方案，未來有望廣泛應用于工業搬運、智能制造、醫療輔助等領域。
“目前，對于深海和深空的高壓、低溫、高鹽等特殊環境，我們還很難在實驗室模擬其真實工況，我們材料和功能都有很大的局限性。”王曉龍也坦言道，對于實際的工作場景，還在進一步進行相關的工作，希望從實驗室走向湖泊、深海等實際應用場景，能夠在這些領域有更加深入的應用，從實驗室走向實際應用一致是團隊的追求和目標。
相關論文信息：https://doi.org/10.1007/s40820-025-01880-4
本文鏈接：“章魚手套”來了！他們用3D打印+水凝膠打造新一代“溫柔抓手”http://www.sq15.cn/show-11-25522-0.html
聲明：本網站為非營利性網站，本網頁內容由互聯網博主自發貢獻，不代表本站觀點，本站不承擔任何法律責任。天上不會到餡餅，請大家謹防詐騙！若有侵權等問題請及時與本網聯系，我們將在第一時間刪除處理。
上一篇： 張圣容：女數學家需要交流合作、一同前進
下一篇： 海洋牧場：深耕“藍色國土” 構建海上糧倉