自适应水凝胶仿生吸盘在抓取蛋黄。兰州化物所供图

■本报记者 叶满山

“轻一点，再轻一点！”实验室里，一只机械臂缓缓伸向盛在碗里的生蛋黄。围观的几位科研人员屏住呼吸——蛋黄表面那层薄膜几乎透明，任何轻微挤压都可能前功尽弃。然而，机械臂前端的“吸盘”只是温柔地贴住蛋黄，将其稳稳提起，再平稳放回。蛋黄完好如初，甚至没留下指痕。

这款“温柔抓手”是中国科学院兰州化学物理研究所（以下简称兰州化物所）开发的国内首款自适应水凝胶仿生吸盘。研究人员通过重构章鱼吸盘的“材料-结构-功能”三重密码，不仅实现了对粗糙表面的无损黏附，更让水下机器人首次具备了“温柔抓取”超软物体的能力。近日，相关研究成果发表于《纳微快报（英文）》。

自然界的启示：章鱼吸盘的奥秘

提起吸盘，人们首先想到的大概是浴室挂钩或工厂里的真空抓手。它们确实“一吸就牢”，但面对潮湿、粗糙或易碎物体时，却常常失灵：抓取玻璃没问题，抓取磨砂玻璃就漏气；抓取金属没问题，抓取沾水的贝壳就滑脱；更要命的是，为了“密封”往往要用大力，导致水果被捏出坑、光学镜片被划出痕。

“这些痛点，章鱼早在几千万年前就解决了。”论文通讯作者之一、兰州化物所研究员王晓龙说。章鱼每条腕足上分布着数百个吸盘，吸盘边缘柔软、肌肉发达的唇口可以像垫圈一样，在肌肉控制下主动变形，贴合不平整的表面，形成瞬时水密封，能在粗糙、湿润甚至多孔的表面上实现强吸附，对螃蟹、贝壳等物体进行无损伤、自适应抓取。

“如果我们能复制这一套‘智能黏附’系统，就能让机器人拥有‘温柔而有力的手’。”王晓龙说。

然而，说起来容易做起来难。传统模压、浇铸只能做出“一张皮”，章鱼的微褶皱、微通道、可变曲率膜等复杂层级结构无法原样照搬；再加上在深海高压、高盐、低温的极端环境里，普通橡胶和塑料不是变硬就是开裂，仿生之路一度受阻。

“复制这套系统，必须同时突破材料和结构两大瓶颈。”王晓龙说。

解构自然：材料与结构的创新融合

“章鱼吸盘的核心能力是‘无损伤吸附、复杂表面适应、动态调控’，而水凝胶的力学可控性、动态形变能力、环境响应性恰好对应这三大需求，成为连接‘自然仿生’与‘工程应用’的关键桥梁。”论文通讯作者之一、兰州化物所助理研究员刘德胜说。

此前，团队已制备出多种强韧性的水凝胶材料，但是对于仿生吸盘这种特殊设备，材料强度过高反而不好。因此，制备适合于仿生驱动器件的柔韧性水凝胶材料成为关键。

为此，团队重新设计了一种“超分子水凝胶”——看起来像一块果冻，却兼具高韧性和可编程刚度。秘诀在于强弱氢键协同：弱键保证柔软、可拉伸；强键在外力过大时“锁死”，防止撕裂。通过微相分离技术，二者在微米尺度均匀分布，使水凝胶“既柔又韧”。

有了合适的材料，接下来就是结构制造。“为实现之前所述的功能，我们设计了带有曲率膜的吸盘结构和多通道的仿章鱼触手结构，这种结构能够有效实现温柔的接触和无损的释放。”刘德胜说。

但是，这种复杂结构的构筑很难通过传统的制造工艺实现。因此，团队选择光固化3D打印技术，利用其“逐层叠加”的原理，完全摆脱结构复杂性对制造的束缚，精准设计并制造出具有不同曲率膜的仿章鱼吸盘。通过结构优化，吸盘实现了对不同表面的可靠贴合与温和的自适应黏/脱附，解决了传统仿生吸盘“吸附稳定性差、脱附难度高”的技术痛点，为柔性仿生吸附器件的高效制备提供了关键技术支撑。

“这些挑战本质上是‘自然智慧’与‘工程技术’的差距体现，每一步突破都需要材料、机械、生物等多学科的协同。目前，我们虽在部分技术上取得进展，但与完全复刻天然章鱼吸盘的‘自适应-自感知-自修复’能力仍有差距。”王晓龙说，未来还需在仿生控制算法、智能材料研发等方面持续探索，让仿生吸盘真正实现从“模仿自然”到“超越自然”的跨越。

应用前景广阔：多级仿生，开启无限可能

目前，团队开发的水凝胶抓取器能够装配在机械臂上，通过机械臂程序控制和驱动泵系统控制，精准完成各种形状物体的抓取与释放，尤其是针对豆腐、蛋黄等超软易损物体，能始终保持无损操作。

这种“水凝胶抓取器-机械臂”集成系统，为水下环境中物体的精准转运、柔性操控提供了创新技术方案，在水下作业、生物医疗等领域展现出广阔应用前景。

该系统有望应用于深海探测机器人，助力机器人在复杂海底环境中进行作业，也能用于柔性生产线机械臂，提高工业自动化水平，推动机器人在极端环境和复杂任务中的应用升级。

在生物工程方面，面对医疗领域对非侵入性、精准且低损伤技术的迫切需求，仿生章鱼吸盘的可逆黏附与生物相容性研究正不断深入，其柔性贴合特性有望在伤后愈合、器官修复等场景中应用。

在柔性电子领域，将柔性传感器嵌入仿生吸盘中可实时调控吸附力，有望实现“感知-驱动-黏附”一体化，为可穿戴设备、生物电子接口提供新方案。

“目前，对于深海和深空高压、低温、高盐等特殊环境，我们很难在实验室模拟其真实工况。”王晓龙坦言，对于实际的工作场景，他们还将进一步开展相关工作，希望未来研究成果能从实验室走向湖泊、深海等实际应用场景，在这些领域实现广泛应用。

相关论文信息：https://doi.org/10.1007/s40820-025-01880-4