弗吉尼亚理工大学开发出3D打印仿生章鱼吸盘，可实现水下粘附功能

2022年7月14日，南极熊获悉，由弗吉尼亚理工大学领导的一个研究小组受章鱼吸盘结构的启发，利用3D打印技术创造一种仿生粘合吸盘。

△天然章鱼吸盘（左）和合成仿生吸盘（右），上面有感应粘合剂

章鱼与其他的头足类生物一样，依靠可控粘合剂和嵌入式传感的组合来粘附和操纵水下的物体。今天的许多基于合成粘合剂的操纵系统往往是由人类操作的，没有任何集成传感器，这可能导致粘附系统的激活和信号释放相对缓慢。

为解决上述问题，弗吉尼亚理工大学的研究团队从章鱼吸盘中得到灵感，开发出了一种新型仿生神经系统，能够在几毫秒内检测到物体并自动开启粘附反应。在将这种3D打印的粘性皮肤应用于可穿戴的手抓手后，科学家们创造了一种能够在水下环境中操纵物体的新方法，。

△支持3D打印的吸盘手套的粘附机制。图片来自弗吉尼亚理工大学。

从大自然中获取灵感

时至今日，对水下的物体表面进行有效和可逆的粘附仍然是一个重大挑战。在干燥的环境中，我们可以依靠通过范德瓦尔斯力、静电力和氢键的粘附，但潮湿的表面大大降低了这些现象的功效。

不过，进化已经为动物界提供了几种在最潮湿的环境中（包括水下）创造强大粘附力的方法。例如，贻贝可以分泌特殊的蛋白质来创造一种粘性斑块，使它们可以粘在几乎任何表面上。同样，青蛙可以通过它们的脚趾垫排泄液体来激活流体动力。

八爪鱼生物学系统引起了科学家的注意，因为它们的吸盘能够非常迅速地产生水下粘附力和吸力，同时完全可逆。值得注意的是，这种吸盘所附带的传感和控制系统，可应用到检测流体流动、压力和表面接触的机械传感器中。这种吸盘的功能组合为它们提供了关于附着和周围生物接近等全面信息，而这些能力在现代的合成抓取器中是很难得到的。

△使用机电元件模仿章鱼的神经系统。图片来自弗吉尼亚理工大学。

模仿章鱼的神经系统

弗吉尼亚理工大学的章鱼灵感抓手有一套硅胶柄，上面有气动的膜，作为抓手。这些柄是在3D打印模具的帮助下制成的，将硅树脂弹性体倒入模具中，浇铸并固化成定制的抓手形状。

每个粘性吸盘都集成了一个微光探测和测距（LIDAR）光学接近传感器阵列。手套还配有微控制器，用于实时检测物体和吸盘控制。该团队声称，这种机械和电子设备的组合准确地模仿了章鱼神经系统的内部运作。

在对手套进行一系列水下试验后，研究人员发现，他们的设备能够实现超过60kPa的粘附应力。手套中的粘附力还可以在不到50毫秒的时间内开关超过450次，显示了出色的可逆性，其周期时间比真正的章鱼还要快。

该研究论文总结说："虽然这项研究的重点是光学传感器，但在未来也可以使用不同的传感方式。化学或机械传感器可以发挥协同作用，这可能特别有趣，因为众所周知，章鱼在操纵过程中显示出多样化的视觉、化学和机械感应。未来还有机会将触觉反馈纳入这一系统，在粘合剂被激活时提醒用户。"

△仿生抓手可与各种水下物体的表面兼容并实现粘附。图片来自弗吉尼亚理工大学。

关于这项研究的更多细节可以在题为 "受章鱼启发的粘合剂皮肤，用于智能和快速切换的水下粘附 "的论文中找到/ Octopus-inspired adhesiveskins for intelligent and rapidly switchable underwater adhesion。

相关论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq1905

仿生学是增材制造研究中的一条共同主线，这是有原因的。今年早些时候，苏黎世联邦理工学院的研究人员从蝴蝶的翅膀中获得灵感，3D打印出了人造的彩色纳米结构。原产于热带非洲的Cynandra opis物种的翅膀以其鲜艳的色彩为特征。然而，这些颜色不是基于颜料，而是结构性的，这意味着它们是由翅膀表面复杂的纳米结构产生的。

在其他地方，弗莱堡大学和斯图加特大学的研究人员开发了一种新颖的4D打印可穿戴医疗设备的方法，该设备可根据病人的解剖结构进行自我调整。受空气马铃薯植物（Dioscorea bulbifera）繁殖机制的启发，这些打印系统可以被预先编程，以便在暴露于水分时进行复杂的运动。上述的案例都是受自然界启发而衍生而出的仿生应用，这也表明大自然还有很多的神奇之处值得我们去探索、学习和借鉴。