弗吉尼亞理工大學開發(fā)出3D打印仿生章魚吸盤，可實現(xiàn)水下粘附功能

2022年7月14日，南極熊獲悉，由弗吉尼亞理工大學領導的一個研究小組受章魚吸盤結構的啟發(fā)，利用3D打印技術創(chuàng)造一種仿生粘合吸盤。

△天然章魚吸盤（左）和合成仿生吸盤（右），上面有感應粘合劑

章魚與其他的頭足類生物一樣，依靠可控粘合劑和嵌入式傳感的組合來粘附和操縱水下的物體。今天的許多基于合成粘合劑的操縱系統(tǒng)往往是由人類操作的，沒有任何集成傳感器，這可能導致粘附系統(tǒng)的激活和信號釋放相對緩慢。

為解決上述問題，弗吉尼亞理工大學的研究團隊從章魚吸盤中得到靈感，開發(fā)出了一種新型仿生神經(jīng)系統(tǒng)，能夠在幾毫秒內(nèi)檢測到物體并自動開啟粘附反應。在將這種3D打印的粘性皮膚應用于可穿戴的手抓手后，科學家們創(chuàng)造了一種能夠在水下環(huán)境中操縱物體的新方法，。

△支持3D打印的吸盤手套的粘附機制。圖片來自弗吉尼亞理工大學。

從大自然中獲取靈感

時至今日，對水下的物體表面進行有效和可逆的粘附仍然是一個重大挑戰(zhàn)。在干燥的環(huán)境中，我們可以依靠通過范德瓦爾斯力、靜電力和氫鍵的粘附，但潮濕的表面大大降低了這些現(xiàn)象的功效。

不過，進化已經(jīng)為動物界提供了幾種在最潮濕的環(huán)境中（包括水下）創(chuàng)造強大粘附力的方法。例如，貽貝可以分泌特殊的蛋白質(zhì)來創(chuàng)造一種粘性斑塊，使它們可以粘在幾乎任何表面上。同樣，青蛙可以通過它們的腳趾墊排泄液體來激活流體動力。

八爪魚生物學系統(tǒng)引起了科學家的注意，因為它們的吸盤能夠非常迅速地產(chǎn)生水下粘附力和吸力，同時完全可逆。值得注意的是，這種吸盤所附帶的傳感和控制系統(tǒng)，可應用到檢測流體流動、壓力和表面接觸的機械傳感器中。這種吸盤的功能組合為它們提供了關于附著和周圍生物接近等全面信息，而這些能力在現(xiàn)代的合成抓取器中是很難得到的。

△使用機電元件模仿章魚的神經(jīng)系統(tǒng)。圖片來自弗吉尼亞理工大學。

模仿章魚的神經(jīng)系統(tǒng)

弗吉尼亞理工大學的章魚靈感抓手有一套硅膠柄，上面有氣動的膜，作為抓手。這些柄是在3D打印模具的幫助下制成的，將硅樹脂彈性體倒入模具中，澆鑄并固化成定制的抓手形狀。

每個粘性吸盤都集成了一個微光探測和測距（LIDAR）光學接近傳感器陣列。手套還配有微控制器，用于實時檢測物體和吸盤控制。該團隊聲稱，這種機械和電子設備的組合準確地模仿了章魚神經(jīng)系統(tǒng)的內(nèi)部運作。

在對手套進行一系列水下試驗后，研究人員發(fā)現(xiàn)，他們的設備能夠?qū)崿F(xiàn)超過60kPa的粘附應力。手套中的粘附力還可以在不到50毫秒的時間內(nèi)開關超過450次，顯示了出色的可逆性，其周期時間比真正的章魚還要快。

該研究論文總結說："雖然這項研究的重點是光學傳感器，但在未來也可以使用不同的傳感方式。化學或機械傳感器可以發(fā)揮協(xié)同作用，這可能特別有趣，因為眾所周知，章魚在操縱過程中顯示出多樣化的視覺、化學和機械感應。未來還有機會將觸覺反饋納入這一系統(tǒng)，在粘合劑被激活時提醒用戶。"

△仿生抓手可與各種水下物體的表面兼容并實現(xiàn)粘附。圖片來自弗吉尼亞理工大學。

關于這項研究的更多細節(jié)可以在題為 "受章魚啟發(fā)的粘合劑皮膚，用于智能和快速切換的水下粘附 "的論文中找到/ Octopus-inspired adhesiveskins for intelligent and rapidly switchable underwater adhesion。

相關論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq1905

仿生學是增材制造研究中的一條共同主線，這是有原因的。今年早些時候，蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究人員從蝴蝶的翅膀中獲得靈感，3D打印出了人造的彩色納米結構。原產(chǎn)于熱帶非洲的Cynandra opis物種的翅膀以其鮮艷的色彩為特征。然而，這些顏色不是基于顏料，而是結構性的，這意味著它們是由翅膀表面復雜的納米結構產(chǎn)生的。

在其他地方，弗萊堡大學和斯圖加特大學的研究人員開發(fā)了一種新穎的4D打印可穿戴醫(yī)療設備的方法，該設備可根據(jù)病人的解剖結構進行自我調(diào)整。受空氣馬鈴薯植物（Dioscorea bulbifera）繁殖機制的啟發(fā)，這些打印系統(tǒng)可以被預先編程，以便在暴露于水分時進行復雜的運動。上述的案例都是受自然界啟發(fā)而衍生而出的仿生應用，這也表明大自然還有很多的神奇之處值得我們?nèi)ヌ剿鳌�學習和借鑒。