章魚作為自然界的“界面工程大師”，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，既能夠在干濕環(huán)境、光滑與粗糙表面間迅速完成粘/脫附切換，又可以精準(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(chǎng)景中具備優(yōu)勢(shì)。順應(yīng)機(jī)器人技術(shù)、生物工程與柔性電子等領(lǐng)域的發(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)備在復(fù)雜界面適應(yīng)性差、易損傷脆弱目標(biāo)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，但面臨兩項(xiàng)技術(shù)瓶頸。其一，傳統(tǒng)制備工藝難以精準(zhǔn)復(fù)刻天然吸盤復(fù)雜的多尺度層級(jí)微結(jié)構(gòu)，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。在深海探索等高壓高鹽液體環(huán)境中，傳統(tǒng)吸盤材料長(zhǎng)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(chǎng)景中的應(yīng)用。

　　近日，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所科研人員提出了仿生策略來解決上述問題。該研究通過強(qiáng)、弱氫鍵協(xié)同作用及微相分離策略制備了具有可調(diào)機(jī)械性能和界面剛度適應(yīng)性的超分子水凝膠。進(jìn)一步，研究結(jié)合光固化3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)構(gòu)建了具有可切換粘附性能的水凝膠仿生吸盤。這一吸盤結(jié)構(gòu)由可調(diào)曲率膜即調(diào)節(jié)吸盤脫附過程、負(fù)壓腔和氣動(dòng)腔室組成。同時(shí)，研究設(shè)計(jì)的具有不同曲率膜的水凝膠吸盤對(duì)硅、玻璃、S304和尼龍等粗糙表面均具有自適應(yīng)粘/脫附性。

　　為凸顯非破壞性粘附的實(shí)用性，該研究研制了采用液壓驅(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，能夠應(yīng)對(duì)曲面復(fù)雜的物體甚至還可以溫和處理蛋黃、豆腐塊等脆弱食品。同時(shí) ，研究將這類水凝膠吸盤陣列結(jié)構(gòu)集成到水下無(wú)人航行器的腹部和六足機(jī)器人的足端，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(chǎng)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(zhǎng)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)性等方面的進(jìn)展，為功能性仿生水凝膠吸盤在復(fù)雜工程場(chǎng)景中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，有望推動(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。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在《納微快報(bào)》（Nano-Micro Letters）上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）等的支持。

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

自適應(yīng)水凝膠吸盤在水下場(chǎng)景中的多功能演示