章魚和蝸牛啟發科學家研發人造吸盤可用于機器人抓取與攀爬

附著，是生命體重要的能力之一，比如人類的抓握、章魚的吸附等。

真空吸附，是一種非常特殊的附著方式。相比于手的抓握，它不需要完全包覆物體，只需一小塊接觸面即可實現附著。同時，它的能耗極低、負載力極高。

因此，自然界中的許多生物進化出了帶有吸盤的器官，這些器官常見于軟體動物，如頭足綱（章魚）、腹足綱（蝸牛、海螺）以及一些寄生蟲等。

憑借獨特的優勢，人造真空吸盤也成為了人類社會中重要的工具，服務于日常生活和工業生產。

然而，當前的人造真空吸盤仍然遠不及章魚和蝸牛等擁有的生物吸盤。

首先，目前的人造吸盤極易在不規則表面產生泄漏。而章魚等生物的吸盤卻能牢牢地吸附在巖石、貝殼等不規則物體的表面。

其次，目前的人造吸盤僅能靜態附著在物體表面，而蝸牛卻可以邊滑行邊維持著極高的真空吸力。

因此，是否可以通過技術手段改進人造真空吸盤，使其突破現有瓶頸，實現生物吸盤的特殊能力呢？

近年來，英國布里斯托大學岳天奇博士和所在團隊，針對章魚和蝸牛的吸盤器官開展了一系列研究。他們先后研發了對不規則表面具備極高適應性的真空吸盤（下稱“適應性吸盤”）和模擬蝸牛滑行的滑動吸盤（下稱“滑動吸盤”）。

這些成果在機器人的末端操作和附著移動方面有較大的應用潛力。

具體來說，課題組所開發的適應性吸盤，可以在無真空泵輔助的情況下抓取許多粗糙且表面崎嶇的物體（如巖石、木材等），這將極大提高機器人的通用性末端執行能力。

相比于使用輔助真空泵的持續抽吸來彌補在不規則表面上的泄漏的傳統方案，他們的方案可以極大降低能耗、降低設備成本和減小噪音。

與此同時，他們開發的滑動吸盤則能提供一種全新的機器人附著移動方式。

相比于以往的機器人附著方式（如磁吸、壁虎黏附、靜電吸附等），滑動吸盤具有以下獨特優勢：

其一，負載能力強且附著力恒定，不存在足式攀爬機器人移動時的附著力突變的問題；

其二，能量利用率極高，所有負載力均由吸盤負壓被動承擔，無需額外供能。

此前爬壁機器人方案能耗大，必須用電纜持續供能，這限制了機器人的活動范圍與應用場景。

而針對人力難以覆蓋的表面機器人巡檢維護，滑動吸盤技術則能提供一種解決方案。

同時，滑動吸盤的能耗極低，僅需攜帶電池包就可以長時間工作，具備野外、大范圍、長時間的遙控作業基礎。

滑動吸盤所具備的高負載能力，還允許其搭載多種作業工具，實現表面巡檢時的在線作業。

其應用場景覆蓋高樓外墻、大型化工和倉儲設備外殼、風機葉片、船舶殼體等。

據介紹，這一系列研究始于2019年。當年，岳天奇加入布里斯托大學機器人實驗室攻讀博士學位，導師是軟體機器人知名學者喬納森·羅斯特教授。

喬納森·羅斯特教授鼓勵學生自由選擇研究方向，因此岳天奇在博士一年級幾乎沒有進行任何具體研究，而是對軟體機器人當前的發展水平進行了廣泛了解。

經過一年的調研與嘗試，岳天奇對蝸牛這個平凡但不簡單的軟體動物產生了興趣，開始嘗試將它強大的負載滑行能力復刻到機器人中。

很多人認為蝸牛是利用黏液“黏”在物體表面的，但他意識到僅憑黏性很難實現如此強大的附著力。

他猜測，蝸牛與同屬腹足綱的鮑魚一樣會利用真空吸附。為了驗證這個想法，他將蝸牛放置在不透氣的平面上，發現它們吸得很牢固。

當他用針在平面上戳了幾個極小的透氣孔后（不影響粘力），蝸牛就可以很輕易地被取下。這說明蝸牛在光滑平面上的附著力大部分來源于真空吸力。

他意識到，假如以此為靈感將為機器人提供一種全新的附著移動方式。然而，在保持極高的真空密封性的同時，蝸牛如何實現穩定連續的滑行，這仍然是一個未解之謎。

盡管一些生物學文獻證實蝸牛的滑行是通過非牛頓流體性質的粘液和產生傳遞波的肌肉的協同作用實現的，但是當時岳天奇并沒有可行的機器人設計方案來模擬這種行為。因此，仿蝸牛滑動吸盤的研究被暫時擱置。

他轉而對章魚吸盤開展研究。當時，學界認為章魚吸盤對不規則表面的強大適應性來源于其靈活的肌肉運動和柔軟的表皮對于物體形狀的貼合密封，然而，固體-固體間的密封總會殘留微小縫隙，而即便是微米級的微小縫隙，仍會導致整個吸盤的泄漏失效。

顯然，僅憑固體密封不足以實現類似章魚吸盤的強大適應性。

一些學者意識到，液體密封提供了提高吸盤適應性的另一條路，因為帶有吸盤器官的生物總是生活在液體環境中。

液體密封的原理是使用液體填充殘留的微縫隙，利用液體遠高于氣體的黏度延緩泄漏速率，延長吸附時間。

然而，過往研究并未對生物吸盤液體密封的原理進行更加深入的研究。

通過閱讀相關生物學文獻，岳天奇發現黏液腺廣泛存在于生物吸盤中（包括吸盤魚、蝸牛、章魚等生物）。

而且吸盤黏液腺的分泌速度，被證明受到神經的主動支配調控。這說明，生物吸盤的適應性來源于其肌肉-表皮-黏液腺產生的固液耦合密封作用。

這一猜想令他豁然開朗，并據此設計出了仿生適應性吸盤。

后來，岳天奇所在團隊與布里斯托大學機器人實驗室的司維永博士、楊辰光教授合作，完成了機械臂協同適應性吸盤靈巧操作極度不規則物體的挑戰性實驗。

最終，相關論文以《受調節水分泌增強用于復雜干燥表面的生物啟發多尺度自適應吸盤》為題發表在《美國科學院院報》。

岳天奇是第一作者，喬納森·羅斯特教授擔任通訊作者。

在適應性吸盤的設計中，他們使用親水性硅膠作為吸盤底面，以便讓水（模擬黏液）在微小縫隙中均勻地擴散。

其發現，水不僅可以大幅增強吸盤的適應能力，還能大幅降低吸盤與表面間的摩擦力。

被水潤濕的吸盤，可以在表面上近乎無摩擦地自由滑動，同時仍能維持強大的真空吸力。這與蝸牛的吸附滑行行為幾乎一致。

該方案也讓之前擱置的仿蝸牛滑動吸盤研究得以重啟。后續研究也非常順利，只需設計機器人的機電系統和控制算法，并通過實驗證明其有效性即可。

經過短暫的設計、制造和實驗，岳天奇等人證明了滑動吸盤機器人有著強大的負載能力（測試負載11倍自重，理論負載55倍自重）和極低的能耗（理論能耗比現有爬壁機器人方案降低90%以上）。

其間，為了讓岳天奇更好地觀察蝸牛的生理結構和運動方式，喬納森·羅斯特教授親自去草叢捕捉蝸牛。“他對于科研的熱情和純粹給我留下了深刻的印象。”岳天奇說。

最終，相關論文以《用于攀登機器人的蝸牛式水強化軟滑動吸盤》為題發表在《自然通訊》。

岳天奇是第一作者，喬納森·羅斯特教授擔任通訊作者。

盡管課題組對于仿生真空吸附的原理已經有了較為深刻的理解，并且已經實現了一些機器人應用，但是現階段的人造吸盤仍然與生物吸盤有一定差距。

例如，軟體動物的吸盤并非單純的附著器官，它們同時還承擔著感知外界環境、參與神經行為調控等多種功能。

因此，岳天奇等人的下一步計劃是開發更加智能化的機器人吸盤，讓人造吸盤成為一個集附著、感知、控制、驅動于一體的智能化機器人組件。

在該團隊目前正在進行的研究中，他們對章魚吸盤內神經參與的多模態感知和自適應控制非常感興趣。

其發現，簡單的多層神經網絡結合人造吸盤的某些物理特征，能夠以極低的計算量、極簡化的系統結構，復制章魚吸盤的智能感知與控制能力。

這樣一來，就能讓一個簡單的人造吸盤，成為融合附著、多模態感知、自適應控制與驅動的多功能機器人組件。“關于此，還請關注我們的后續工作進展。”岳天奇表示。（綜合整理報道）（策劃/多洛米）