研究构建仿章鱼的自适应水凝胶吸盘
2025-08-25
兰州化学物理研究所
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章鱼作为自然界的“界面工程大师”，其吸盘结构依靠可形变的柔软肌壁精确调节腔内压力，既能够在干湿环境、光滑与粗糙表面间迅速完成粘/脱附切换，又可以精准控制吸附力大小。这种高度自适应特性使其在水下抓取、生物医疗等场景中具备优势。顺应机器人技术、生物工程与柔性电子等领域的发展，构建具有章鱼吸盘式功能的仿生粘附器件，已成为破解传统刚性粘附设备在复杂界面适应性差、易损伤脆弱目标等痛点的关键路径。
尽管仿生章鱼吸盘研究取得一定进展，但面临两项技术瓶颈。其一，传统制备工艺难以精准复刻天然吸盘复杂的多尺度层级微结构，导致仿生吸盘的界面适形性不足、流-固耦合调控受限等问题；其二，现有材料体系多采用单一模量的刚性或弹性基体，难以实现类似章鱼吸盘肌壁的高柔韧性与可控形变的协同，因而在动态粘附过程中易出现粘附力衰减、能量耗散偏高及脱附响应时滞等问题。在深海探索等高压高盐液体环境中，传统吸盘材料长期在水下环境中使用易造成粘附与力学性能易衰减等环境鲁棒性不足等问题，制约了其在水下机器人抓取与操作、水下爬壁与定点作业等场景中的应用。
近日，中国科学院兰州化学物理研究所科研人员提出了仿生策略来解决上述问题。该研究通过强、弱氢键协同作用及微相分离策略制备了具有可调机械性能和界面刚度适应性的超分子水凝胶。进一步，研究结合光固化3D打印技术设计构建了具有可切换粘附性能的水凝胶仿生吸盘。这一吸盘结构由可调曲率膜即调节吸盘脱附过程、负压腔和气动腔室组成。同时，研究设计的具有不同曲率膜的水凝胶吸盘对硅、玻璃、S304和尼龙等粗糙表面均具有自适应粘/脱附性。
为凸显非破坏性粘附的实用性，该研究研制了采用液压驱动、配备仿生吸盘的水凝胶夹持器，可自适应地操纵各种水下物体，能够应对曲面复杂的物体甚至还可以温和处理蛋黄、豆腐块等脆弱食品。同时 ，研究将这类水凝胶吸盘阵列结构集成到水下无人航行器的腹部和六足机器人的足端，赋予其水下操控物体、定点停留及表面爬行等特殊功能，为复杂海洋环境场景中的应用提供了高适形、可逆、低损的粘附手段。
上述研究深化了仿生吸盘在长期耐久性与稳定性、强韧力学性能平衡、极端环境适应性等方面的进展，为功能性仿生水凝胶吸盘在复杂工程场景中的应用奠定了基础，有望推动其在海工运维、机器人操作和深海勘探等高端工程应用中的发展。
相关研究成果发表在《纳微快报》（Nano-Micro Letters）上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项（B类）等的支持。
论文链接
受章鱼启发的自适应水凝胶吸盘的设计制造示意图
自适应水凝胶吸盘在水下场景中的多功能演示
3D打印水凝胶吸盘结构在水下场景中的应用展示
章鱼作为自然界的“界面工程大师”，其吸盘结构依靠可形变的柔软肌壁精确调节腔内压力，既能够在干湿环境、光滑与粗糙表面间迅速完成粘/脱附切换，又可以精准控制吸附力大小。这种高度自适应特性使其在水下抓取、生物医疗等场景中具备优势。顺应机器人技术、生物工程与柔性电子等领域的发展，构建具有章鱼吸盘式功能的仿生粘附器件，已成为破解传统刚性粘附设备在复杂界面适应性差、易损伤脆弱目标等痛点的关键路径。尽管仿生章鱼吸盘研究取得一定进展，但面临两项技术瓶颈。其一，传统制备工艺难以精准复刻天然吸盘复杂的多尺度层级微结构，导致仿生吸盘的界面适形性不足、流-固耦合调控受限等问题；其二，现有材料体系多采用单一模量的刚性或弹性基体，难以实现类似章鱼吸盘肌壁的高柔韧性与可控形变的协同，因而在动态粘附过程中易出现粘附力衰减、能量耗散偏高及脱附响应时滞等问题。在深海探索等高压高盐液体环境中，传统吸盘材料长期在水下环境中使用易造成粘附与力学性能易衰减等环境鲁棒性不足等问题，制约了其在水下机器人抓取与操作、水下爬壁与定点作业等场景中的应用。近日，中国科学院兰州化学物理研究所科研人员提出了仿生策略来解决上述问题。该研究通过强、弱氢键协同作用及微相分离策略制备了具有可调机械性能和界面刚度适应性的超分子水凝胶。进一步，研究结合光固化3D打印技术设计构建了具有可切换粘附性能的水凝胶仿生吸盘。这一吸盘结构由可调曲率膜即调节吸盘脱附过程、负压腔和气动腔室组成。同时，研究设计的具有不同曲率膜的水凝胶吸盘对硅、玻璃、S304和尼龙等粗糙表面均具有自适应粘/脱附性。为凸显非破坏性粘附的实用性，该研究研制了采用液压驱动、配备仿生吸盘的水凝胶夹持器，可自适应地操纵各种水下物体，能够应对曲面复杂的物体甚至还可以温和处理蛋黄、豆腐块等脆弱食品。同时 ，研究将这类水凝胶吸盘阵列结构集成到水下无人航行器的腹部和六足机器人的足端，赋予其水下操控物体、定点停留及表面爬行等特殊功能，为复杂海洋环境场景中的应用提供了高适形、可逆、低损的粘附手段。上述研究深化了仿生吸盘在长期耐久性与稳定性、强韧力学性能平衡、极端环境适应性等方面的进展，为功能性仿生水凝胶吸盘在复杂工程场景中的应用奠定了基础，有望推动其在海工运维、机器人操作和深海勘探等高端工程应用中的发展。相关研究成果发表在《纳微快报》（Nano-Micro Letters）上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项（B类）等的支持。论文链接受章鱼启发的自适应水凝胶吸盘的设计制造示意图自适应水凝胶吸盘在水下场景中的多功能演示3D打印水凝胶吸盘结构在水下场景中的应用展示
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责任编辑：侯茜
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