弗吉尼亞理工大學(xué)開(kāi)發(fā)出3D打印仿生章魚(yú)吸盤(pán)，可實(shí)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(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組受章魚(yú)吸盤(pán)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，利用3D打印技術(shù)創(chuàng)造一種仿生粘合吸盤(pán)。

△天然章魚(yú)吸盤(pán)（左）和合成仿生吸盤(pán)（右），上面有感應(yīng)粘合劑

章魚(yú)與其他的頭足類(lèi)生物一樣，依靠可控粘合劑和嵌入式傳感的組合來(lái)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(lèi)操作的，沒(méi)有任何集成傳感器，這可能導(dǎo)致粘附系統(tǒng)的激活和信號(hào)釋放相對(duì)緩慢。

為解決上述問(wèn)題，弗吉尼亞理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)從章魚(yú)吸盤(pán)中得到靈感，開(kāi)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(cè)到物體并自動(dòng)開(kāi)啟粘附反應(yīng)。在將這種3D打印的粘性皮膚應(yīng)用于可穿戴的手抓手后，科學(xué)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(pán)手套的粘附機(jī)制。圖片來(lái)自弗吉尼亞理工大學(xué)。

從大自然中獲取靈感

時(shí)至今日，對(duì)水下的物體表面進(jìn)行有效和可逆的粘附仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。在干燥的環(huán)境中，我們可以依靠通過(guò)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(guò)，進(jìn)化已經(jīng)為動(dòng)物界提供了幾種在最潮濕的環(huán)境中（包括水下）創(chuàng)造強(qiáng)大粘附力的方法。例如，貽貝可以分泌特殊的蛋白質(zhì)來(lái)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(guò)它們的腳趾墊排泄液體來(lái)激活流體動(dòng)力。

八爪魚(yú)生物學(xué)系統(tǒng)引起了科學(xué)家的注意，因?yàn)樗鼈兊奈�盤(pán)能夠非常迅速地產(chǎn)生水下粘附力和吸力，同時(shí)完全可逆。值得注意的是，這種吸盤(pán)所附帶的傳感和控制系統(tǒng)，可應(yīng)用到檢測(cè)流體流動(dòng)、壓力和表面接觸的機(jī)械傳感器中。這種吸盤(pán)的功能組合為它們提供了關(guān)于附著和周?chē)�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(jī)電元件模仿章魚(yú)的神經(jīng)系統(tǒng)。圖片來(lái)自弗吉尼亞理工大學(xué)。

模仿章魚(yú)的神經(jīng)系統(tǒng)

弗吉尼亞理工大學(xué)的章魚(yú)靈感抓手有一套硅膠柄，上面有氣動(dòng)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(shù)脂彈性體倒入模具中，澆鑄并固化成定制的抓手形狀。

每個(gè)粘性吸盤(pán)都集成了一個(gè)微光探測(cè)和測(cè)距（LIDAR）光學(xué)接近傳感器陣列。手套還配有微控制器，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)物體和吸盤(pán)控制。該團(tuán)隊(duì)聲稱(chēng)，這種機(jī)械和電子設(shè)備的組合準(zhǔn)確地模仿了章魚(yú)神經(jīng)系統(tǒng)的內(nèi)部運(yùn)作。

在對(duì)手套進(jìn)行一系列水下試驗(yàn)后，研究人員發(fā)現(xiàn)，他們的設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)超過(guò)60kPa的粘附應(yīng)力。手套中的粘附力還可以在不到50毫秒的時(shí)間內(nèi)開(kāi)關(guān)超過(guò)450次，顯示了出色的可逆性，其周期時(shí)間比真正的章魚(yú)還要快。

該研究論文總結(jié)說(shuō)："雖然這項(xiàng)研究的重點(diǎn)是光學(xué)傳感器，但在未來(lái)也可以使用不同的傳感方式�；瘜W(xué)或機(jī)械傳感器可以發(fā)揮協(xié)同作用，這可能特別有趣，因?yàn)楸娝�周知，章魚(yú)在操縱過(guò)程中顯示出多樣化的視覺(jué)、化學(xué)和機(jī)械感應(yīng)。未來(lái)還有機(jī)會(huì)將觸覺(jué)反饋納入這一系統(tǒng)，在粘合劑被激活時(shí)提醒用戶(hù)。"

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

關(guān)于這項(xiàng)研究的更多細(xì)節(jié)可以在題為 "受章魚(yú)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(guān)論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq1905

仿生學(xué)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(shí)候，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)性的，這意味著它們是由翅膀表面復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的。

在其他地方，弗萊堡大學(xué)和斯圖加特大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新穎的4D打印可穿戴醫(yī)療設(shè)備的方法，該設(shè)備可根據(jù)病人的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行自我調(diào)整。受空氣馬鈴薯植物（Dioscorea bulbifera）繁殖機(jī)制的啟發(fā)，這些打印系統(tǒng)可以被預(yù)先編程，以便在暴露于水分時(shí)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。上述的案例都是受自然界啟發(fā)而衍生而出的仿生應(yīng)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(xué)習(xí)和借鑒。