由弗吉尼亞理工大學(xué)的邁克爾巴特利特領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員開發(fā)了一種章魚啟發(fā)的手套，能夠牢固地抓住水下物體。他們的研究被選為 7 月 13 日的《科學(xué)進(jìn)展》封面。

人類并非天生具備在水下環(huán)境中茁壯成長的條件。我們用氣瓶呼吸，用氯丁橡膠服保護(hù)和溫暖我們的身體，用護(hù)目鏡看清楚。在這樣的環(huán)境中，人的手也很難抓住東西。任何試圖抓住一條蠕動的魚的人都會證明，我們在陸地上的手指很難抓住水下物體。

“在關(guān)鍵時刻，這會成為一種負(fù)擔(dān)，”機(jī)械工程系助理教授巴特利特說。“大自然已經(jīng)有了一些很好的解決方案，所以我們的團(tuán)隊(duì)從自然界中尋找靈感。章魚成為靈感的明顯選擇。”

救援潛水員、水下考古學(xué)家、橋梁工程師和打撈人員都用他們的雙手從水中提取人和物體。握住光滑物體的能力較弱的人手必須使用更大的力，而鐵握有時會影響這些操作。當(dāng)需要細(xì)膩的觸感時，為水而準(zhǔn)備的手會很有幫助。

這些正是巴特利特和他的同事們試圖建造的附屬物。他在軟材料和結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)將生物解決方案應(yīng)用于由軟材料和機(jī)器人技術(shù)制成的新技術(shù)。

從強(qiáng)大的附著力中汲取靈感

章魚是地球上最獨(dú)特的生物之一，它擁有八只長臂，可以在水生環(huán)境中抓住無數(shù)的東西。在實(shí)用工具和智能的完美結(jié)合中，這些手臂上覆蓋著由海洋動物的肌肉和神經(jīng)系統(tǒng)控制的吸盤。

每個吸盤的形狀像柱塞的末端，具有強(qiáng)大的抓取能力。在吸盤的寬外緣與物體密封后，肌肉收縮并放松緣后的杯形區(qū)域以增加和釋放壓力。當(dāng)許多吸盤嚙合時，它會產(chǎn)生難以逃脫的牢固粘合。

“當(dāng)我們看到章魚時，粘合劑肯定很突出，可以根據(jù)需要迅速激活和釋放粘合力，”巴特利特說。“不過，同樣有趣的是，章魚通過處理來自不同化學(xué)和機(jī)械傳感器的信息來控制八個手臂上的 2,000 多個吸盤。章魚確實(shí)將粘附可調(diào)性、傳感和控制結(jié)合在一起來操縱水下物體。”

為了設(shè)計(jì)他們的手套，研究人員專注于重新想象吸盤：柔順的橡膠桿，上面覆蓋著柔軟的驅(qū)動膜。該設(shè)計(jì)旨在執(zhí)行與章魚吸盤相同的功能 - 以輕壓激活對物體的可靠附著，非常適合粘附在平面和曲面上。

在開發(fā)了粘合機(jī)制之后，他們還需要一種讓手套感知物體并觸發(fā)粘合的方法。為此，他們請來了內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的助理教授 Eric Markvicka，他添加了一系列微型激光雷達(dá)光學(xué)接近傳感器，用于檢測物體的距離。然后通過微控制器連接吸盤和激光雷達(dá)，以將物體感應(yīng)與吸盤接合配對，從而模仿章魚的神經(jīng)和肌肉系統(tǒng)。

使用傳感器接合吸盤也使系統(tǒng)具有適應(yīng)性。在自然環(huán)境中，章魚將手臂纏繞在巖石和表面的峭壁上，附著在光滑的貝殼和粗糙的藤壺上。研究小組還想要一些對人類來說感覺很自然的東西，讓他們可以毫不費(fèi)力地?fù)炱饢|西，像章魚一樣適應(yīng)不同的形狀和大小。他們的解決方案是一種將合成吸盤和傳感器緊密集成在一起的手套，這是一種可在水下抓取許多不同形狀的可穿戴系統(tǒng)的和諧組合。他們稱之為八角手套。

“通過將柔軟、反應(yīng)靈敏的粘合劑材料與嵌入式電子設(shè)備相結(jié)合，我們無需擠壓即可抓取物體，”Bartlett 說。“它使處理潮濕或水下物體變得更加容易和自然。電子設(shè)備可以快速激活并釋放粘附力。只需將手移向物體，手套就會完成抓取工作。這一切都可以在用戶無需按下按鈕的情況下完成單按鈕。”

在測試中，研究人員嘗試了幾種不同的抓取模式。為了操縱精致輕巧的物體，他們使用了一個傳感器。他們發(fā)現(xiàn)他們可以快速拿起和釋放扁平物體、金屬玩具、圓柱體、勺子的雙彎曲部分和超軟水凝膠球。通過重新配置傳感器網(wǎng)絡(luò)以利用所有傳感器進(jìn)行物體檢測，他們還能夠抓住更大的物體，例如盤子、盒子和碗。由硬質(zhì)和軟質(zhì)材料組成的扁平、圓柱形、凸面和球形物體被粘附并抬起，即使用戶沒有通過合手抓住物體。

“這些能力模仿了頭足類動物的先進(jìn)操縱、傳感和控制，并為合成水下粘性皮膚提供了一個平臺，可以可靠地操縱各種水下物體，”博士后研究員 Ravi Tutika 說。“這當(dāng)然是朝著正確方向邁出的一步，但在我們達(dá)到大自然的全部抓握能力之前，我們還有很多東西需要了解章魚以及如何制作集成粘合劑。”

展望未來，研究人員設(shè)想手套在水下抓握的軟機(jī)器人領(lǐng)域、用戶輔助技術(shù)和醫(yī)療保健中的應(yīng)用以及組裝和操作潮濕物體的制造中發(fā)揮作用。

這項(xiàng)工作由代表弗吉尼亞理工大學(xué)、愛荷華州立大學(xué)和內(nèi)布拉斯加林肯大學(xué)的 Sean Frey、ABM Tahidul Haque、Elizabeth Krotz、Cole Haverkamp 和 Chanhong Lee 完成。