向章魚“取經”，3D打印出能抓蛋黃的水凝膠抓手

在神秘的海底世界，章魚是當之無愧的 “捕獵高手”。而它的秘密武器，正是那幾條靈活又強悍、布滿吸盤的靈活觸手。你可別小看這些小小的“圓盤子”，它們能讓章魚創造出令人驚嘆的 “魔法”：無論是在光滑的巖石、堅硬的貝殼，甚至快速游動的小魚身上“一貼即合”，仿佛擁有無形的引力！更神奇的是，當章魚想要松開時，又能瞬間脫離，絲毫不傷獵物分毫。這種 “收放自如、溫柔有力” 的吸附本領，不僅是章魚在海底生存的法寶，也點燃了科學家的靈感：我們能不能也做出像章魚觸手這樣又軟又穩的“機械手”呢？

章魚結構圖

（圖片來源：Current Biology 2024,34,20：4767-4773）

回過頭來看看我們日常生活和工業生產中常用的傳統機械抓手——比如工廠里夾取零件的鐵爪，或者玩具機器人硬邦邦的塑料手——它們在處理一些精細任務，尤其是在水下工作時，就顯得有點“笨手笨腳”了。比如說，要想抓一塊嫩豆腐或者一顆生蛋黃，傳統機械手一用力就碎；在水下打撈珍貴樣品或者精密儀器時，它們又常常抓不緊、拿不穩，甚至不小心把東西弄壞。

章魚觸手與傳統機械抓手的巨大反差，讓科學家們萌生了一個大膽的想法：要向章魚“取經”，研發出更靈活、更精細的人造抓手。

向自然“取經”：章魚觸手帶來的科學難題

想要復刻章魚觸手的神奇能力，科學家們首先就面臨著兩大棘手難題。

第一個難題是 “造不出”。章魚觸手的內部結構極其精密，布滿了復雜的肌肉纖維和神經組織，外部又布滿了大大小小的吸盤結構，這些結構相互配合，才能實現靈活的彎曲和精準的吸附。而人類工廠里常用的制造方法，比如注塑、切削等，大多只能生產結構相對簡單的零部件，很難復刻出章魚觸手這種復雜且具有多層結構的柔性部件。即便勉強制造，也無法保證各部分結構的協同工作，自然難以達到章魚觸手的性能。

第二個難題是 “材料不行”。章魚的觸手之所以能在實現柔軟變形的同時，還保持強大的韌性和穩固性，關鍵在于其獨特的身體組織材料。這種材料既要有足夠的彈性，能夠貼合不同形狀的物體表面；又要有一定的強度，防止在抓取過程中斷裂。然而，我們常用的材料總是“偏科”：橡膠材料雖然有一定的彈性，但強度不足，在水下長期使用容易老化損壞；金屬材料強度足夠，但過于堅硬，無法實現柔軟變形，根本沒法溫柔抓取。更麻煩的是，很多材料在水下環境中，其性能會大幅下降，要么吸附力減弱，要么容易被水腐蝕，根本無法適應水下作業需求。

破解之道：當水凝膠遇見3D打印

就在科學家們發愁的時候，兩樣新技術的結合帶來了轉機：科學家們找到了破解之道——將“新型水凝膠”與“3D 打印技術”相結合，成功復刻出了章魚觸手的“精髓”。

首先是新材料的突破。科學家們研發出一種新型水凝膠，這種水凝膠的秘密在于其特殊的分子結構。它模擬了生物組織中的分子鍵，通過多種強弱氫鍵之間的協同作用和微相分離過程，讓水凝膠既擁有了像橡膠一樣的柔軟彈性，能夠輕松彎曲變形，又具備了一定的強韌度。測試數據顯示，這種新型水凝膠在拉伸時可以延伸到自身長度的數倍，且在承受一定重量時不會斷裂；更重要的是，它本身含有大量水分，與人體組織和海洋環境的相容性極好，在水下不僅不會失效，反而能保持穩定的性能，完美解決了傳統材料“剛柔難兼顧、水下易失效” 的問題。

有了合適的材料，接下來就是如何制造出復雜的仿生結構。這時候3D 打印技術恰好解決了這一難題。傳統制造工藝無法實現的復雜內部結構，在3D 打印技術面前變得不再困難。

研究者們以自然界中章魚的漏斗吸盤結構與柔性觸手為仿生原型，首先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。隨后，研究者對章魚觸手的復雜結構進行了更新設計，并將仿生吸盤與其相匹配，創新性的設計出了一款具有多重通道結構的液壓驅動水凝膠抓取器。這些內部通道可以通過控制氣壓或液壓，調節吸盤的吸附力，也能夠調節觸手的彎曲和回復，實現“牢牢吸附”與“快速脫離”的切換；通過這種方式，3D 打印技術一舉攻克了傳統工藝難以制造復雜柔性結構的難題，讓人造觸手的 “復刻” 成為現實。

“溫柔而強大”：水凝膠抓手的三大絕技

這個結合了仿生設計與新材料技術的“人造章魚手”，到底有多厲害呢？一句話就是“溫柔而強大”，具體我們可以用三個特點來總結：

它的第一個優勢是“吸附廣”。經過實驗測試，這種人造抓手可以在多種常見材質表面實現牢固吸附與快速脫離，無論是玻璃、金屬、塑料等硬質材料，還是橡膠、布料等軟質材料，甚至是帶有一定弧度或不規則形狀的物體表面，它都能緊密貼合，產生穩定的吸附力。更令人驚喜的是，在水下環境中，它的吸附性能絲毫不受影響，這是傳統機械抓手無法比擬的。

第二個優勢是“不損傷”，這也是它最核心的亮點。由于新型水凝膠具有優異的柔軟性和彈性，在抓取物體時，帶有“曲率膜”的吸盤能夠最大程度地貼合物體表面，分散抓取力，避免局部壓力過大導致物體損壞。科學家們做過一個有趣的實驗：用這種人造抓手抓取蛋黃。結果顯示，抓手能夠穩穩地將蛋黃抓起，并且在移動和放下的過程中，蛋黃完好無損，甚至連蛋黃膜都沒有出現絲毫破裂。除此之外，它還能輕松抓取豆腐、果凍等極其脆弱的物品，真正實現了“溫柔” 抓取，解決了傳統機械抓手在精細操作中的痛點。

圖片來源：中國科學院蘭州化學物理研究所

第三個優勢是“應用遠”。這款人造抓手的出現，為多個領域帶來了全新的可能。在水下機器人領域，它可以作為機器人的“手”，用于抓取脆弱的生物樣本；還能將水凝膠吸盤集成到水下無人航行器、爬行機器人等設備中，實現水下駐停、爬行、航行等多種應用，有望在海洋設備維護、水下考古和深海探索等多個領域進行應用。在精密制造領域，它有望能能夠用于電子元件的組裝，抓取微小且脆弱的芯片、傳感器等，提高制造精度和效率；在未來醫療領域，它有望成為手術機器人的重要組成部分，在微創手術中抓取微小的組織器官，減少手術對患者的創傷。此外，在食品加工、物流分揀等領域，它也能發揮重要作用，推動這些行業向更精細、更高效的方向發展。

圖片來源：中國科學院蘭州化學物理研究所

從章魚的觸手到 3D 打印水凝膠抓手，這項研究不僅成功解決了傳統機械抓手在精細操作和水下場景中的不足，更向我們展現了一種全新的科技研發思路——向自然學習。大自然經過億萬年的進化，孕育出了無數具有神奇能力的生物，它們的身體結構、生理功能都蘊含著精妙的設計和智慧。

從章魚觸手的神奇能力中汲取靈感，用新型水凝膠材料突破性能瓶頸，再借助 3D 打印技術實現復雜結構的制造，這款能抓蛋黃的水凝膠抓手，不僅是一項技術突破，更向我們展示了 “向自然學習” 的巨大潛力。在科技發展的道路上，自然永遠是最好的老師，那些經過億萬年進化篩選出的生物特性，往往能為我們解決“硬核”工程難題提供意想不到的思路。相信未來，隨著仿生科技的不斷發展，還會有更多從自然中獲得靈感的發明創造，為我們的生活帶來更多驚喜與改變。

出品：科普中國

作者：汪祎賢，劉德勝，王曉龍（中國科學院蘭州化學物理研究所）

監制：中國科普博覽