受章鱼启发的自适应水凝胶夹持器，可操纵超软物体

章鱼凭借其灵活的腕足、非凡的适应性和强大的吸盘，能够毫不费力地抓取和分离海洋环境中的各种物体而不会造成破坏。然而，在水下操纵诸如柔软易碎的食物等精细物体需要轻柔的接触和稳定的吸附，这对现有的软体抓取器提出了严峻的挑战。受章鱼吸盘漏斗状结构和柔性触手的启发，本文通过耦合多个氢键介导的超分子水凝胶和真空聚合三维打印技术，开发了一种具有自适应机动性的液压驱动水凝胶软体抓取器，其中水凝胶仿生吸盘由可调曲率膜、负压腔和气动室组成。可变曲率膜的吸盘结构设计有利于实现水凝胶软体抓取器可靠、轻柔的可切换吸附。作为概念验证，自适应水凝胶软体抓取器能够执行多种水下任务，包括小心翼翼地抓取蛋黄和豆腐等易碎食物，以及基于可切换黏附力实现定点和爬行的水下机器人和航行器。因此，本研究为新型软体抓取器的设计提供了一种变革性策略，将为水下探索软体机器人技术带来广阔的应用前景。

　　

随着对易碎物质进行轻柔、形状自适应处理的需求日益增长，传统的刚性和硅胶基夹持器仍然难以在潮湿环境中抓取超软食品、生物组织或弯曲器件而不造成损坏。目前，由中国科学院兰州化学物理研究所刘德胜教授和王小龙教授领导的多机构团队，对一种受章鱼启发的液压驱动水凝胶夹持器进行了全面的研究，该夹持器实现了可切换、无损伤的粘附，可用于复杂的水下操作。这项研究为下一代软体机器人夹持器描绘了一幅变革性的蓝图，旨在突破现有技术的局限性。

为什么章鱼启发的水凝胶抓手很重要

水下适应性： 亲水性超分子水凝胶具有固有的润滑性、抗膨胀性和机械柔顺性，可在海水、PBS 或去离子水中实现可靠的性能。

非破坏性可切换粘附：与负压腔集成的曲率可调膜允许在牢固抓握（?P <0）和轻柔释放（?P = 0）之间快速转换，防止蛋黄或豆腐等易碎物品破裂。

可扩展的 3D 打印：大桶光聚合一步即可生产出高分辨率仿生吸盘和多指触手，为软末端执行器的大规模定制铺平了道路。

创新设计和功能

材料可调性：强（NASC–AAc）和弱（NASC–AAm）氢键网络协同设计，产生柔软而坚韧的水凝胶（E ≈ 0.24 MPa，断裂能 ≈ 0.65 kJ m ^-2），可承受 >100 次循环载荷而不会泄漏。

吸盘结构：每个 10 毫米吸盘结合了一个主动曲率膜、一个密封负压腔和一个气动室；曲率（K >0、K = 0、K <0）经过调节，以最大限度地接触平面、曲面或折叠表面。

液压驱动：低压水膨胀（<40kPa）可在数秒内驱动体积膨胀>60倍或弯曲150°，在能源效率和变形范围方面优于传统的硅胶执行器。

应用和未来展望

食品和生物医学处理：单指、双指和多指夹持器成功抓取、转移和释放超软豆腐块、生蛋黄和弯曲的玻璃/塑料器皿，且没有明显损坏，展现出自动化食品加工或微创手术的潜力。

水下机器人：安装在无人水下航行器 (UUV) 和六足爬行机器人上的水凝胶吸盘阵列能够在倾斜或水平木板上保持定位并在天花板上运动，暗示其在海洋考古、管道检查或深海采样中的应用。

挑战与机遇：长期疲劳寿命、快速大规模打印以及与实时反馈控制的集成仍然是关键挑战。未来的研究将侧重于混合水凝胶弹性体复合材料、嵌入式传感和人工智能驱动的形状优化，以扩大其在极端水环境中的应用。

这项综合研究建立了一种适应性强、低成本的方法来制造软夹钳，将水凝胶的柔和触感与章鱼吸盘的智能粘附性结合在一起，为机器人、生物医学和海洋工程的安全操作开辟了新的途径。