科研進展
蘭州化物所3D打印水凝膠基仿章魚自適應粘/脫附吸盤研究獲新進展
作為自然界的一類“界面工程大師”—章魚，其吸盤結構依靠可形變的柔軟肌壁精確調節(jié)腔內壓力，既能在干濕環(huán)境、光滑與粗糙表面間迅速完成粘/脫附切換，又能精準控制吸附力大小，這種高度自適應特性使其在水下抓取、生物醫(yī)療等場景中具備不可替代的優(yōu)勢。順應機器人技術、生物工程與柔性電子等領域的快速發(fā)展，構建具有章魚吸盤式功能的仿生粘附器件，已成為破解傳統(tǒng)剛性粘附設備（如真空吸盤、電磁吸盤）在復雜界面適應性差、且易損傷脆弱目標（如生物組織、精密零件）等痛點的關鍵路徑。
盡管仿生章魚吸盤研究取得一定進展，但仍面臨兩項關鍵技術瓶頸。其一，傳統(tǒng)制備工藝（如模壓、澆鑄成型）難以精準復刻天然吸盤復雜的多尺度層級微結構（如多級褶皺、微通道陣列），由此導致仿生吸盤的界面適形性不足、流-固耦合調控受限等問題；其二，現(xiàn)有材料體系多采用單一模量的剛性或彈性基體，難以實現(xiàn)類似章魚吸盤肌壁的高柔韌性與可控形變的協(xié)同，因而在動態(tài)粘附過程中易出現(xiàn)粘附力衰減、能量耗散偏高及脫附響應時滯等問題。尤為關鍵的是，在深海探索等高壓高鹽液體環(huán)境中，傳統(tǒng)吸盤材料長期在水下環(huán)境中使用易造成粘附與力學性能易衰減等環(huán)境魯棒性不足等問題，制約了其在水下機器人抓取與操作、水下爬壁與定點作業(yè)等場景中的可靠應用。
近日，中國科學院蘭州化學物理研究所潤滑材料全國重點實驗室3D打印摩擦器件組提出了一種仿生策略來解決上述問題。研究人員首先通過強、弱氫鍵協(xié)同作用及微相分離策略制備了一種具有可調機械性能和界面剛度適應性的超分子水凝膠。隨后，又結合光固化3D打印技術設計構建了一種具有可切換粘附性能的水凝膠仿生吸盤，該吸盤結構主要由可調曲率膜（調節(jié)吸盤脫附過程）、負壓腔和氣動腔室組成。此外，所設計的具有不同曲率膜的水凝膠吸盤對硅、玻璃、S304和尼龍等各種粗糙表面均具有自適應粘/脫附性。
圖1. 受章魚啟發(fā)的自適應水凝膠吸盤的設計制造示意圖。
為進一步凸顯非破壞性粘附的實用性，研究人員研制了一款采用液壓驅動、配備仿生吸盤的水凝膠夾持器，可自適應地操縱各種水下物體，不僅能應對曲面復雜的物體，甚至還能溫和處理蛋黃、豆腐塊等極為脆弱的食品。 此外，研究人員將這類水凝膠吸盤陣列結構集成到水下無人航行器的腹部和六足機器人的足端，從而賦予其水下操控物體、定點停留及表面爬行等特殊功能，為復雜海洋環(huán)境場景中的應用提供了高適形、可逆、低損的粘附手段。
上述研究深化了仿生吸盤在長期耐久性與穩(wěn)定性、強韌力學性能平衡、極端環(huán)境適應性等方面的創(chuàng)新進展，為功能性仿生水凝膠吸盤在復雜工程場景中的應用奠定了基礎，有望顯著推動其在海工運維、機器人操作和深?？碧降雀叨斯こ虘弥械陌l(fā)展。
圖2. 自適應水凝膠吸盤在水下場景中的多功能演示。
圖3.?3D打印水凝膠吸盤結構在水下場景中的應用展示。
相關研究工作以“Octopus-Inspired Self-Adaptive Hydrogel Gripper Capable of Manipulating Ultrasoft Object”為題發(fā)表在Nano-Micro Letters（Nano-Micro Letters,2026,18: 33；https://doi.org/10.1007/s40820-025-01880-4）上。石河子大學聯(lián)培博士生汪祎賢為論文第一作者，石河子大學賈鑫教授、蘭州化物所劉德勝助理研究員和王曉龍研究員為共同通訊作者。
上述研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、中國科學院戰(zhàn)略性先導專項（B類）、國家自然科學基金、甘肅省科技計劃、中國科學院特別研究助理資助項目等項目的資助。
