弗吉尼亞理工大學(xué)開發(fā)出3D打印仿生章魚吸盤，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)的一個研究小組受章魚吸盤結(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。

△天然章魚吸盤（左）和合成仿生吸盤（右），上面有感應(yīng)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(dǎo)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(xué)的研究團(tuán)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(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打印的吸盤手套的粘附機(jī)制。圖片來自弗吉尼亞理工大學(xué)。

從大自然中獲取靈感

時至今日，對水下的物體表面進(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(xué)系統(tǒng)引起了科學(xué)家的注意，因?yàn)樗鼈兊奈�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(yīng)用到檢測流體流動、壓力和表面接觸的機(jī)械傳感器中。這種吸盤的功能組合為它們提供了關(guān)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(jī)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(xué)。

模仿章魚的神經(jīng)系統(tǒng)

弗吉尼亞理工大學(xué)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(xué)接近傳感器陣列。手套還配有微控制器，用于實(shí)時檢測物體和吸盤控制。該團(tuán)隊聲稱，這種機(jī)械和電子設(shè)備的組合準(zhǔn)確地模仿了章魚神經(jīng)系統(tǒng)的內(nèi)部運(yùn)作。

在對手套進(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毫秒的時間內(nèi)開關(guān)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(jié)說："雖然這項研究的重點(diǎn)是光學(xué)傳感器，但在未來也可以使用不同的傳感方式。化學(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，章魚在操縱過程中顯示出多樣化的視覺、化學(xué)和機(jī)械感應(yīng)。未來還有機(jī)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(shí)現(xiàn)粘附。圖片來自弗吉尼亞理工大學(xué)。

關(guān)于這項研究的更多細(xì)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(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進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動。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。