仿生协同粘附机制实现在不规则表面上的稳固附着

《Cell Press Blue》：Bioinspired synergistic adhesion mechanism enabling robust attachment on irregular surfaces

　　

摘要翻译：在不规则表面上实现稳固附着，对于机器人技术、制造业、医疗保健以及海洋和矿产勘探领域而言，仍是一项严峻挑战。尽管仿生吸盘展现出应用前景，但其性能——尤其在剪切力作用下——在粗糙、湿润或被污染等复杂不规则基底上往往表现不佳。本研究受吸盘鲶鱼启发，解析了一种协同粘附机制，该机制整合了微乳头介导的粘附增强、柔性机械顺应以及负压驱动。基于这一原理，研究人员设计了一种仿生粘附装置，该装置在粗糙、光滑、湿润、干燥、曲面及污染基底上，实现了高达80.53 ± 1.09 kPa（剪切）和67.19 ± 1.67 kPa（法向）的卓越粘附应力。研究团队在机器人平台上验证了其实用性，实现了水下岩石上的稳定驻留以及高度不规则矿物的可靠拾取。本研究为在不规则表面上实现稳固附着建立了通用框架，并为在复杂、非结构化环境中实现先进机器人操作、驻留及勘探开辟了道路。

论文解读：仿生协同粘附机制——实现不规则表面稳固附着的突破

一、研究背景与问题的提出

在机器人技术、先进制造、医疗保健以及海洋与矿产勘探等领域，如何在复杂且不规则的表面上实现稳固、可靠的附着，始终是一项核心且尚未被圆满解决的技术挑战。无论是执行非结构化环境中的机器人操作、对湿滑组织进行精准医疗干预，还是在水下进行长期驻留作业以及拾取复杂形态的矿物标本，都离不开高性能的粘附技术。然而，传统的合成粘附装置大多局限于规则表面，难以适应现实世界中普遍存在的粗糙、弯曲、湿润乃至被生物污染的表面。

尽管仿生研究已从壁虎、树蛙、章鱼等生物中汲取灵感，取得了一系列进展，但基于范德华力的壁虎仿生粘附和基于毛细力的树蛙仿生粘附在高度不规则或水下环境中效果有限。章鱼仿生吸盘虽利用软体可变形结构实现密封，但在剪切力抵抗方面存在明显短板，在粗糙、沉重或动态目标上易发生滑移。近年来，基于?鱼吸盘机制的研究催生了更先进的粘附装置，能够贴合高曲率表面，但面对高度不规则的基底，仍难以产生足够的粘附力。

为破解这一难题，研究人员将目光投向了吸盘鲶鱼，这种水生生物以其在湍急水流中也能牢固附着于高度粗糙、不规则及被污染基底上的能力而闻名。尽管此前研究人员已成功模仿了吸盘鲶鱼的吸盘器官用于组织粘附，但适应不规则表面和提升粘附强度这两大瓶颈依然存在。因此，该研究旨在深入揭示吸盘鲶鱼的粘附奥秘，并据此开发出一种能够在复杂真实环境中实现强韧、可逆、方向性稳固附着的新型仿生粘附装置。

二、研究方法与技术路线

本研究采用了多学科交叉的研究方法。首先，通过解剖学观察、扫描电子显微镜以及纳米压痕技术，对吸盘鲶鱼吸盘器官的形态结构和力学性能进行了多尺度表征。其次，结合行为学实验和生物物理学分析，提出了整合宏观负压腔、介观柔性唇盘和微观乳突的多尺度协同粘附机制，并建立相应的理论模型。基于此原理，研究人员采用多材料复合成型工艺，利用不同硬度的硅胶材料，设计并制造了仿生粘附装置。研究中使用了成年吸盘鲶鱼（体长169–195毫米，来源为商业供应商）作为生物学样本。随后，通过一系列控制变量实验，系统评估了腔体刚度、唇盘顺应性、乳突形态、尺寸、分布和密度等因素对粘附性能的影响，并分别在空气和水下环境、不同曲率（0–40 m?1）和粗糙度（0–1600 μm）的基底上进行了力学测试。最后，通过搭建水下驻留机器人和机械臂抓取系统，在开放水域和真实矿物样本上验证了该装置的实用性。

三、主要研究结果

1. 吸盘鲶鱼吸盘器官形态与粘附机制：研究发现，吸盘鲶鱼通过可伸展的上下唇盘、阀门和前腔室形成部分封闭的腔体，呼吸作用产生的动态压差实现负压粘附。扫描电子显微镜显示唇盘表面覆盖着密集的半球形乳突（弹性模量约295 MPa），而周围吸盘腔则刚度更高（弹性模量约869 MPa），这种软硬结合的结构是其适应不规则表面的关键。

2. 多尺度协同粘附机制的生物物理学解析：研究人员建立了整合宏观负压、介观柔性接触和微观摩擦/毛细增强的理论模型。该模型成功解释了粘附力的产生机制，并能预测最优乳突密度（理论值为7.87 units/cm2，实验最优值为8 units/cm2），为装置设计提供了定量依据。

3. 仿生粘附装置的设计与制造：装置尺寸为80.36 mm × 71.01 mm × 47.05 mm，重134.4 g，由柔软的Ecoflex 00–50材料构成唇盘和乳突（确保密封性），由较硬的Dragon Skin 30材料构成腔体（维持结构完整性）。

4. 粘附性能表征与优化：在光滑平面上，优化的装置在空气和水下的法向粘附应力分别为67.19 ± 1.67 kPa和37.79 ± 1.60 kPa，剪切粘附应力分别高达80.53 ± 1.09 kPa和46.99 ± 1.84 kPa。实验证明，乳突结构（PS）显著优于凹陷结构和光滑表面。在曲率40 m?1和粗糙度1600 μm的条件下，装置仍保持有效粘附。更重要的是，装置成功粘附并提升了一个重达9,728.4 g的物体，并能安全转运一只3,950.0 g的鳄龟。

5. 机器人平台应用验证：在开放水域测试中，搭载仿生粘附装置的水下机器人实现了在崎岖岩石、苔藓覆盖结构及藻类基质上的稳定驻留。在矿物拾取演示中，机械臂利用该装置成功抓取了一个重达3.479 kg且形态极不规则的岩石样本，并能在同一物体不同位点实现多点粘附。

四、讨论与结论总结

研究人员在讨论部分指出，该装置卓越性能源于多尺度机制的协同整合，有效克服了传统粘附系统在强粘附力生成与适应性表面贴合之间的固有矛盾。通过与最新章鱼仿生吸盘（在光滑基底上剪切粘附应力通常为2–40 kPa）的对比，该装置的剪切性能优势显著，凸显了微乳头在提摩擦和产生毛细力方面的关键作用。软硬双硬度结构确保了在非理想表面上的密封完整性，从而使负压粘附原理在远超实验室理想条件的场景下依然有效。该研究为设计下一代可在复杂环境中作业的机器人粘附系统提供了一个通用框架，并指出了自动化和系统集成等未来研究方向。

研究结论方面，通过解码吸盘鲶鱼的分级粘附机制，研究人员开发了一种仿生粘附装置，该装置将微乳头介导的粘附增强、顺应性机械构型和负压驱动集成为一个统一系统。该设计克服了传统上法向与剪切粘附之间的权衡，在干燥、湿润和水下条件下，实现了在粗糙、弯曲和污损表面上的稳固附着。研究团队还展示了其在自然环境中机器人驻留、物体操纵和监测任务中的适用性。这项工作为下一代粘附系统提供了一个通用框架，使得在可靠附着于不规则表面至关重要的挑战性环境中执行先进机器人操作成为可能。