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(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(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(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是光學傳感器,，但在未來也可以使用不同的傳感方式�,；瘜W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(guān)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(guān)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(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雜的納米結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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,。