受章鱼启发的粘合剂为水下打捞作业带来希望

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利用自然界的机制来创造新的技术创新是弗吉尼亚理工大学研究团队的标志。副教授迈克尔·巴特利特领导的团队发明了一种受章鱼启发的粘合剂，其灵感来自章鱼吸盘的形状，可以快速抓取并可控地释放具有挑战性的水下物体。
能够抓住并释放这些水下物体（如重石、小贝壳、软珠和其他碎片）可能成为水下打捞甚至救援行动的有力工具。他们的研究成果已发表在《先进科学》杂志上。
这项研究由弗吉尼亚理工大学的本科研究员 Austin Via、Aldo Heredia 和 Daniel Adjei 共同完成。研究生助理 Chanhong Lee 是该论文的第一作者。
“我很好奇章鱼如何在一瞬间牢牢抓住某物，然后又立即放开。它在水下、粗糙、弯曲和不规则的物体上都能做到这一点——这真是一项壮举，”巴特利特说。
为了克服这一长期存在的挑战，巴特利特和他的团队研究了章鱼的形状。具体来说，他们研究了章鱼吸盘的外部结构，即漏斗。这启发了研究人员发明一种粘合剂，该粘合剂利用弹性弯曲的柄和可变形的活性膜，该膜可以改变形状以实现多表面粘合。
研究生 Chanhong Lee 在实验室中测试受章鱼启发的吸盘。图片来源：弗吉尼亚理工大学的 Alex Parrish。
弯曲柄可附着在大尺度曲率上，同时提高对小尺度粗糙度的适应性。这些机制协同作用，可提高跨多个长度尺度的附着力。
由此，章鱼启发的粘合剂在激活时比易释放状态强 1,000 倍。重要的是，这种切换发生在几分之一秒内，大约 30 毫秒。现在，章鱼启发的粘合剂在各种表面上都具有很高的附着强度，包括粗糙、弯曲和不规则的物体以及不同的流体。使用这种新工具，潜水员可以握住滑溜溜的物体而无需过度挤压，还可以通过快速切换快速抓住它。
抓握和释放具有挑战性的水下物体
由于章鱼吸盘是由活体组织构成的，它们会根据所要抓取的物体弯曲、伸展和收缩。这不仅使章鱼拥有更强的抓握力，还使其能够灵活地调整抓握方式，以抓取光滑或粗糙、有棱角或平坦的物体。
利用这种受章鱼启发的新型粘合剂，研究团队成员可以拾取、握持和释放各种具有挑战性的水下物体，包括平坦、粗糙甚至弯曲的软性和刚性材料。
这种能力通过建造一个水下石堆来展示，石堆是一堆精心建造的水下岩石。这里的岩石大小不一，形状各异，表面粗糙度也各不相同，必须捡起，但也要精确地放下，以保持结构平衡。同时，它们还可以轻松地抓住和放下柔软的果冻状珠子。
这种受章鱼启发的可切换粘合剂可以长时间附着在不规则形状的物体上并固定住它们。我们用一块石头（452 克）演示了这一点，这块石头在水下放置了 7 天多，然后在需要时根据需要释放。
“这些操作都是章鱼在巢穴周围布置物体时进行的，”李说。“这次演示凸显了受章鱼启发的粘合剂能够精确操纵水下难以处理的物体。”
这些材料还表现出在多次循环和较长时间内的可靠附着力。在一项实验中，附着力在 100 次循环中保持不变。在另一项测试中，该团队将一块粗糙的弯曲岩石放在水下超过七天，然后根据需要将其释放。特别是在打捞应用中，需要长时间握住物体，这可能至关重要。
像章鱼一样抓握
巴特利特此前发明了 Octa-Glove，发表在《科学进展》杂志上。Octa-Glove 的粘合剂灵感来自章鱼，配备了激光雷达传感器，可以探测附近的物体，以牢固而温和的方式附着在物体上，而无需施加过大的力。捕获物体后，吸盘可以根据需要松开，释放被捕获的物体。
这种手套对于救援潜水员、水下考古学家、用户辅助技术以及医疗保健或其他需要牢牢抓住潮湿或水下物体的类似工作来说可能是一种宝贵的工具。这项最近发表的研究可以增加手套的容量，使抓握力更强。
“我们希望利用我们的新粘合剂设计进一步改进 Octa-Glove，”Bartlett 说道。“水下环境带来了一系列挑战，而这一进步让我们克服了另一个障碍。我们现在比以往任何时候都更接近复制章鱼的惊人能力，能够精确地抓握和操纵物体，为探索和操纵潮湿或水下环境开辟了新的可能性。”