在變幻莫測(cè)的跨介質(zhì)環(huán)境中，無(wú)論是干燥陸地、潮濕表面還是完全淹沒(méi)的水下，實(shí)現(xiàn)可靠的抓取與附著一直是暫棲機(jī)器人、爬行機(jī)器人及復(fù)雜表面作業(yè)系統(tǒng)面臨的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。

對(duì)于這一問(wèn)題，大自然早已給出了進(jìn)化的答案。

作為地球上最古老的脊椎動(dòng)物之一，進(jìn)化超過(guò)5億年的七鰓鰻（Lamprey），憑借其獨(dú)特的口盤結(jié)構(gòu)，即便在湍急的水流中也能死死吸附在獵物或巖石表面。這種卓越的適應(yīng)力源于其“負(fù)壓吸附+機(jī)械鎖合”的協(xié)同策略機(jī)制，其中柔軟唇緣實(shí)現(xiàn)界面密封，肌肉泵產(chǎn)生強(qiáng)負(fù)壓，環(huán)繞分布的角質(zhì)齒則與復(fù)雜表面形成物理互鎖。

然而，現(xiàn)有的仿生吸附系統(tǒng)往往陷入“單打獨(dú)斗”的局限：受壁虎啟發(fā)的干粘附在水下會(huì)因水膜干擾失效，受章魚(yú)啟發(fā)的吸盤在面對(duì)粗糙多孔表面時(shí)則因無(wú)法密封而無(wú)計(jì)可施。

針對(duì)這一行業(yè)痛點(diǎn)，北京大學(xué)喻俊志教授團(tuán)隊(duì)受七鰓鰻口吸盤啟發(fā)，研制出一種新型混合粘附吸盤。該設(shè)計(jì)創(chuàng)新性地集成了溫控變剛度形狀記憶聚合物（SMP）陣列與柔性硅膠唇圈，成功打破了兩棲環(huán)境與表面粗糙度的雙重性能壁壘，為新一代兩棲機(jī)器人的自適應(yīng)抓取開(kāi)辟了全新路徑。

01.

科學(xué)問(wèn)題：復(fù)雜兩棲界面上，負(fù)壓吸附與機(jī)械鎖合如何協(xié)同作用，以突破粗糙表面密封受限的附著瓶頸，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可逆的普適吸附？

針對(duì)這一問(wèn)題，喻俊志教授團(tuán)隊(duì)受七鰓鰻口吸盤形貌與功能啟發(fā)，揭示了“負(fù)壓吸附+機(jī)械鎖合”的協(xié)同機(jī)理，在Science合作期刊《Cyborg and Bionic Systems》上發(fā)表了題為“Lamprey-Inspired Amphibious Suction Disc with Hybrid Adhesion Mechanism”的研究論文。

受七鰓鰻口吸盤中角質(zhì)齒、肌肉泵與柔軟周緣協(xié)同工作的啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了一種SMP吸附面板與柔性唇圈密封的混合粘附吸盤。該吸盤直徑98mm，重量?jī)H為70g。為了實(shí)現(xiàn)類似七鰓鰻般穩(wěn)固的吸附，該吸盤的工作流程展示了“剛”與“柔”的完美銜接。

首先，內(nèi)置的柔性加熱器迅速工作，將SMP陣列面板加熱至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，使其由堅(jiān)硬的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闃O具順應(yīng)性的橡膠態(tài)。隨后，吸盤與目標(biāo)表面接觸，柔軟的硅膠唇邊受壓變形并緊貼表面，形成可靠的流體密封。緊接著，內(nèi)部真空系統(tǒng)開(kāi)始工作，排出腔室內(nèi)流體的同時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓，這股壓力不僅提供了初始的吸附力，更將處于橡膠態(tài)的SMP陣列緊緊壓入表面的微觀凹縫與不規(guī)則結(jié)構(gòu)中，精準(zhǔn)完成“形貌拓印”。隨著加熱停止，SMP在環(huán)境中逐漸冷卻并重新硬化進(jìn)入玻璃態(tài)，從而將先前拓印的幾何形貌物理鎖定，與表面的微觀凸起形成穩(wěn)固的機(jī)械鎖合。

這種設(shè)計(jì)使得吸盤的粘附強(qiáng)度得到了極大增強(qiáng)，且成功實(shí)現(xiàn)了吸附強(qiáng)度與持續(xù)真空維持之間的脫鉤，即使在外部真空失效后，依靠機(jī)械鎖合的SMP依然能維持長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)固附著。當(dāng)需要脫離表面時(shí)，系統(tǒng)再次啟動(dòng)加熱使SMP變軟以釋放鎖合，并同時(shí)向腔室內(nèi)充入流體打破密封，從而實(shí)現(xiàn)快速、無(wú)損且可控的脫附與復(fù)位。

圖4 溫控形狀記憶聚合物（SMP）和硅膠作用示意圖

圖5 SMP材料工作原理

02.

性能驗(yàn)證：吸附力的突破與全地形自適應(yīng)

空氣與水下的粘附性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該仿生吸盤在性能上實(shí)現(xiàn)了跨越式的突破。在光滑表面上，該吸盤在空氣中產(chǎn)生的最大吸附力可達(dá)562.6 N，而在水下則表現(xiàn)出更優(yōu)的性能，吸附力進(jìn)一步提升至590.7 N。這意味著這個(gè)重量?jī)H為70 g的小巧裝置，能夠吊起超過(guò)其自身重量850倍的重物。

更為關(guān)鍵的是，該研究打破了傳統(tǒng)吸盤在粗糙表面性能斷崖式下跌的魔咒。在表面粗糙度Ra達(dá)到707 μm的工況下，傳統(tǒng)真空吸盤往往因漏氣產(chǎn)生泄漏路徑而徹底失效，而本研究的混合吸盤依然能保持穩(wěn)固粘附。量化對(duì)比顯示，SMP層的引入使吸盤在空氣和水下的粘附力較純負(fù)壓模式分別提升了377%和270%。

在耐久性方面，得益于SMP的形貌鎖合效應(yīng)，吸盤在空氣中承受5N負(fù)載時(shí)的粘附時(shí)間長(zhǎng)達(dá)26.8小時(shí)，相比無(wú)SMP的對(duì)照組提升了近195%。而在水下環(huán)境，其保持時(shí)長(zhǎng)的提升幅度可達(dá)到540%。

圖6 仿生吸盤性能測(cè)試與表征

03.

應(yīng)用演示：跨越介質(zhì)的“全能抓手”

為了進(jìn)一步驗(yàn)證這種混合粘附機(jī)制的系統(tǒng)級(jí)功能，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)一系列挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)演示，展示了該吸盤在真實(shí)作業(yè)環(huán)境中的自適應(yīng)能力。

在空氣中，該吸盤表現(xiàn)出了極寬的作業(yè)跨度，能夠穩(wěn)固抓取質(zhì)量跨越6個(gè)數(shù)量級(jí)的物體。無(wú)論是僅重0.01 g的電子芯片、形狀規(guī)則的筆記本電腦（1.1 kg），還是重達(dá)11.4 kg的木質(zhì)桌面，吸盤均能游刃有余地完成任務(wù)。此外，它還完美兼容了平整、粗糙、彎曲及不規(guī)則的各種幾何表面，如電路板、水杯、甚至是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的扳手和鐵錘。

在水下環(huán)境中，這種適應(yīng)性同樣出色。吸盤不僅能吸附光滑的金屬錢幣，還能在紅磚、扇貝殼、大海螺等具有自然孔隙或復(fù)雜曲線的物體上維持穩(wěn)定抓取。

圖7 仿生吸盤抓取性能展示

最令人印象深刻的演示是該吸盤與機(jī)械臂集成的跨介質(zhì)操作。

在實(shí)驗(yàn)中，機(jī)械臂攜帶仿生吸盤，在空氣中精準(zhǔn)抓取了一臺(tái)仿生蝠鲼機(jī)器人，并將其平穩(wěn)地放入水中；機(jī)器人游過(guò)一圈后，吸盤在水下再次發(fā)力，將機(jī)器人從水中穩(wěn)穩(wěn)提回空氣中。這一過(guò)程充分證明了吸盤在空氣與水界面轉(zhuǎn)換時(shí)的極高可靠性。實(shí)驗(yàn)記錄的壓力與溫度曲線顯示，SMP的相變與負(fù)壓系統(tǒng)協(xié)同工作，為跨介質(zhì)的動(dòng)態(tài)過(guò)程提供了持續(xù)且穩(wěn)定的粘附力。通過(guò)與現(xiàn)有的仿生吸附系統(tǒng)進(jìn)行橫向基準(zhǔn)測(cè)試，該混合吸盤在粘附應(yīng)力和摩擦應(yīng)力方面均展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。尤其在處理具有挑戰(zhàn)性的表面和長(zhǎng)效負(fù)載附著時(shí)，其表現(xiàn)超越了大多數(shù)單一機(jī)制的仿生設(shè)計(jì)。

圖8 蝠鲼機(jī)器人跨介質(zhì)抓取展示

該論文的第一作者為北京大學(xué)先進(jìn)制造與機(jī)器人學(xué)院特聘副研究員李磊和碩士研究生高文卓。北京大學(xué)先進(jìn)制造與機(jī)器人學(xué)院喻俊志教授為通訊作者。

合作者包括北京大學(xué)先進(jìn)制造與機(jī)器人學(xué)院博士研究生秦博揚(yáng)、王博、助理研究員孔詩(shī)涵，新加坡國(guó)立大學(xué)設(shè)計(jì)與工程學(xué)院博士研究生張以遠(yuǎn)，香港城市大學(xué)校長(zhǎng)助理教授令狐昌鴻，北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院馬藝甜等。

相關(guān)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市科技新星計(jì)劃、河北省自然科學(xué)基金、國(guó)家資助博士后研究人員計(jì)劃及中國(guó)博士后科學(xué)基金等的聯(lián)合資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.34133/cbsystems.0527