向章鱼“取经”，3D打印出能抓蛋黄的水凝胶抓手

在神秘的海底世界，章鱼是当之无愧的 “捕猎高手”。而它的秘密武器，正是那几条灵活又强悍、布满吸盘的灵活触手。你可别小看这些小小的“圆盘子”，它们能让章鱼创造出令人惊叹的 “魔法”：无论是在光滑的岩石、坚硬的贝壳，甚至快速游动的小鱼身上“一贴即合”，仿佛拥有无形的引力！更神奇的是，当章鱼想要松开时，又能瞬间脱离，丝毫不伤猎物分毫。这种 “收放自如、温柔有力” 的吸附本领，不仅是章鱼在海底生存的法宝，也点燃了科学家的灵感：我们能不能也做出像章鱼触手这样又软又稳的“机械手”呢？

章鱼结构图

（图片来源：Current Biology 2024,34,20：4767-4773）

回过头来看看我们日常生活和工业生产中常用的传统机械抓手——比如工厂里夹取零件的铁爪，或者玩具机器人硬邦邦的塑料手——它们在处理一些精细任务，尤其是在水下工作时，就显得有点“笨手笨脚”了。比如说，要想抓一块嫩豆腐或者一颗生蛋黄，传统机械手一用力就碎；在水下打捞珍贵样品或者精密仪器时，它们又常常抓不紧、拿不稳，甚至不小心把东西弄坏。

章鱼触手与传统机械抓手的巨大反差，让科学家们萌生了一个大胆的想法：要向章鱼“取经”，研发出更灵活、更精细的人造抓手。

向自然“取经”：章鱼触手带来的科学难题

想要复刻章鱼触手的神奇能力，科学家们首先就面临着两大棘手难题。

第一个难题是 “造不出”。章鱼触手的内部结构极其精密，布满了复杂的肌肉纤维和神经组织，外部又布满了大大小小的吸盘结构，这些结构相互配合，才能实现灵活的弯曲和精准的吸附。而人类工厂里常用的制造方法，比如注塑、切削等，大多只能生产结构相对简单的零部件，很难复刻出章鱼触手这种复杂且具有多层结构的柔性部件。即便勉强制造，也无法保证各部分结构的协同工作，自然难以达到章鱼触手的性能。

第二个难题是 “材料不行”。章鱼的触手之所以能在实现柔软变形的同时，还保持强大的韧性和稳固性，关键在于其独特的身体组织材料。这种材料既要有足够的弹性，能够贴合不同形状的物体表面；又要有一定的强度，防止在抓取过程中断裂。然而，我们常用的材料总是“偏科”：橡胶材料虽然有一定的弹性，但强度不足，在水下长期使用容易老化损坏；金属材料强度足够，但过于坚硬，无法实现柔软变形，根本没法温柔抓取。更麻烦的是，很多材料在水下环境中，其性能会大幅下降，要么吸附力减弱，要么容易被水腐蚀，根本无法适应水下作业需求。

破解之道：当水凝胶遇见3D打印

就在科学家们发愁的时候，两样新技术的结合带来了转机：科学家们找到了破解之道——将“新型水凝胶”与“3D 打印技术”相结合，成功复刻出了章鱼触手的“精髓”。

首先是新材料的突破。科学家们研发出一种新型水凝胶，这种水凝胶的秘密在于其特殊的分子结构。它模拟了生物组织中的分子键，通过多种强弱氢键之间的协同作用和微相分离过程，让水凝胶既拥有了像橡胶一样的柔软弹性，能够轻松弯曲变形，又具备了一定的强韧度。测试数据显示，这种新型水凝胶在拉伸时可以延伸到自身长度的数倍，且在承受一定重量时不会断裂；更重要的是，它本身含有大量水分，与人体组织和海洋环境的相容性极好，在水下不仅不会失效，反而能保持稳定的性能，完美解决了传统材料“刚柔难兼顾、水下易失效” 的问题。

有了合适的材料，接下来就是如何制造出复杂的仿生结构。这时候3D 打印技术恰好解决了这一难题。传统制造工艺无法实现的复杂内部结构，在3D 打印技术面前变得不再困难。

研究者们以自然界中章鱼的漏斗吸盘结构与柔性触手为仿生原型，首先构建了一种具有可切换粘附性能的水凝胶仿生吸盘。该吸盘结构主要由可调曲率膜（调节吸盘脱附过程）、负压腔和气动腔室组成。此外，所设计的具有不同曲率膜的水凝胶吸盘对硅、玻璃、S304和尼龙等各种粗糙表面均具有自适应粘/脱附性。随后，研究者对章鱼触手的复杂结构进行了更新设计，并将仿生吸盘与其相匹配，创新性的设计出了一款具有多重通道结构的液压驱动水凝胶抓取器。这些内部通道可以通过控制气压或液压，调节吸盘的吸附力，也能够调节触手的弯曲和回复，实现“牢牢吸附”与“快速脱离”的切换；通过这种方式，3D 打印技术一举攻克了传统工艺难以制造复杂柔性结构的难题，让人造触手的 “复刻” 成为现实。

“温柔而强大”：水凝胶抓手的三大绝技

这个结合了仿生设计与新材料技术的“人造章鱼手”，到底有多厉害呢？一句话就是“温柔而强大”，具体我们可以用三个特点来总结：

它的第一个优势是“吸附广”。经过实验测试，这种人造抓手可以在多种常见材质表面实现牢固吸附与快速脱离，无论是玻璃、金属、塑料等硬质材料，还是橡胶、布料等软质材料，甚至是带有一定弧度或不规则形状的物体表面，它都能紧密贴合，产生稳定的吸附力。更令人惊喜的是，在水下环境中，它的吸附性能丝毫不受影响，这是传统机械抓手无法比拟的。

第二个优势是“不损伤”，这也是它最核心的亮点。由于新型水凝胶具有优异的柔软性和弹性，在抓取物体时，带有“曲率膜”的吸盘能够最大程度地贴合物体表面，分散抓取力，避免局部压力过大导致物体损坏。科学家们做过一个有趣的实验：用这种人造抓手抓取蛋黄。结果显示，抓手能够稳稳地将蛋黄抓起，并且在移动和放下的过程中，蛋黄完好无损，甚至连蛋黄膜都没有出现丝毫破裂。除此之外，它还能轻松抓取豆腐、果冻等极其脆弱的物品，真正实现了“温柔” 抓取，解决了传统机械抓手在精细操作中的痛点。

图片来源：中国科学院兰州化学物理研究所

第三个优势是“应用远”。这款人造抓手的出现，为多个领域带来了全新的可能。在水下机器人领域，它可以作为机器人的“手”，用于抓取脆弱的生物样本；还能将水凝胶吸盘集成到水下无人航行器、爬行机器人等设备中，实现水下驻停、爬行、航行等多种应用，有望在海洋设备维护、水下考古和深海探索等多个领域进行应用。在精密制造领域，它有望能能够用于电子元件的组装，抓取微小且脆弱的芯片、传感器等，提高制造精度和效率；在未来医疗领域，它有望成为手术机器人的重要组成部分，在微创手术中抓取微小的组织器官，减少手术对患者的创伤。此外，在食品加工、物流分拣等领域，它也能发挥重要作用，推动这些行业向更精细、更高效的方向发展。

图片来源：中国科学院兰州化学物理研究所

从章鱼的触手到 3D 打印水凝胶抓手，这项研究不仅成功解决了传统机械抓手在精细操作和水下场景中的不足，更向我们展现了一种全新的科技研发思路——向自然学习。大自然经过亿万年的进化，孕育出了无数具有神奇能力的生物，它们的身体结构、生理功能都蕴含着精妙的设计和智慧。

从章鱼触手的神奇能力中汲取灵感，用新型水凝胶材料突破性能瓶颈，再借助 3D 打印技术实现复杂结构的制造，这款能抓蛋黄的水凝胶抓手，不仅是一项技术突破，更向我们展示了 “向自然学习” 的巨大潜力。在科技发展的道路上，自然永远是最好的老师，那些经过亿万年进化筛选出的生物特性，往往能为我们解决“硬核”工程难题提供意想不到的思路。相信未来，随着仿生科技的不断发展，还会有更多从自然中获得灵感的发明创造，为我们的生活带来更多惊喜与改变。

出品：科普中国

作者：汪祎贤，刘德胜，王晓龙（中国科学院兰州化学物理研究所）

监制：中国科普博览