水下手套将章鱼的能力置于人类手中

由弗吉尼亚理工大学的迈克尔巴特利特领导的一组研究人员开发了一种章鱼启发的手套，能够牢固地抓住水下物体。他们的研究被选为 7 月 13 日的《科学进展》封面。

人类并非天生具备在水下环境中茁壮成长的条件。我们用气瓶呼吸，用氯丁橡胶服保护和温暖我们的身体，用护目镜看清楚。在这样的环境中，人的手也很难抓住东西。任何试图抓住一条蠕动的鱼的人都会证明，我们在陆地上的手指很难抓住水下物体。

“在关键时刻，这会成为一种负担，”机械工程系助理教授巴特利特说。“大自然已经有了一些很好的解决方案，所以我们的团队从自然界中寻找灵感。章鱼成为灵感的明显选择。”

救援潜水员、水下考古学家、桥梁工程师和打捞人员都用他们的双手从水中提取人和物体。握住光滑物体的能力较弱的人手必须使用更大的力，而铁握有时会影响这些操作。当需要细腻的触感时，为水而准备的手会很有帮助。

这些正是巴特利特和他的同事们试图建造的附属物。他在软材料和结构实验室的团队将生物解决方案应用于由软材料和机器人技术制成的新技术。

从强大的附着力中汲取灵感

章鱼是地球上最独特的生物之一，它拥有八只长臂，可以在水生环境中抓住无数的东西。在实用工具和智能的完美结合中，这些手臂上覆盖着由海洋动物的肌肉和神经系统控制的吸盘。

每个吸盘的形状像柱塞的末端，具有强大的抓取能力。在吸盘的宽外缘与物体密封后，肌肉收缩并放松缘后的杯形区域以增加和释放压力。当许多吸盘啮合时，它会产生难以逃脱的牢固粘合。

“当我们看到章鱼时，粘合剂肯定很突出，可以根据需要迅速激活和释放粘合力，”巴特利特说。“不过，同样有趣的是，章鱼通过处理来自不同化学和机械传感器的信息来控制八个手臂上的 2,000 多个吸盘。章鱼确实将粘附可调性、传感和控制结合在一起来操纵水下物体。”

为了设计他们的手套，研究人员专注于重新想象吸盘：柔顺的橡胶杆，上面覆盖着柔软的驱动膜。该设计旨在执行与章鱼吸盘相同的功能 - 以轻压激活对物体的可靠附着，非常适合粘附在平面和曲面上。

在开发了粘合机制之后，他们还需要一种让手套感知物体并触发粘合的方法。为此，他们请来了内布拉斯加大学林肯分校的助理教授 Eric Markvicka，他添加了一系列微型激光雷达光学接近传感器，用于检测物体的距离。然后通过微控制器连接吸盘和激光雷达，以将物体感应与吸盘接合配对，从而模仿章鱼的神经和肌肉系统。

使用传感器接合吸盘也使系统具有适应性。在自然环境中，章鱼将手臂缠绕在岩石和表面的峭壁上，附着在光滑的贝壳和粗糙的藤壶上。研究小组还想要一些对人类来说感觉很自然的东西，让他们可以毫不费力地捡起东西，像章鱼一样适应不同的形状和大小。他们的解决方案是一种将合成吸盘和传感器紧密集成在一起的手套，这是一种可在水下抓取许多不同形状的可穿戴系统的和谐组合。他们称之为八角手套。

“通过将柔软、反应灵敏的粘合剂材料与嵌入式电子设备相结合，我们无需挤压即可抓取物体，”Bartlett 说。“它使处理潮湿或水下物体变得更加容易和自然。电子设备可以快速激活并释放粘附力。只需将手移向物体，手套就会完成抓取工作。这一切都可以在用户无需按下按钮的情况下完成单按钮。”

在测试中，研究人员尝试了几种不同的抓取模式。为了操纵精致轻巧的物体，他们使用了一个传感器。他们发现他们可以快速拿起和释放扁平物体、金属玩具、圆柱体、勺子的双弯曲部分和超软水凝胶球。通过重新配置传感器网络以利用所有传感器进行物体检测，他们还能够抓住更大的物体，例如盘子、盒子和碗。由硬质和软质材料组成的扁平、圆柱形、凸面和球形物体被粘附并抬起，即使用户没有通过合手抓住物体。

“这些能力模仿了头足类动物的先进操纵、传感和控制，并为合成水下粘性皮肤提供了一个平台，可以可靠地操纵各种水下物体，”博士后研究员 Ravi Tutika 说。“这当然是朝着正确方向迈出的一步，但在我们达到大自然的全部抓握能力之前，我们还有很多东西需要了解章鱼以及如何制作集成粘合剂。”

展望未来，研究人员设想手套在水下抓握的软机器人领域、用户辅助技术和医疗保健中的应用以及组装和操作潮湿物体的制造中发挥作用。

这项工作由代表弗吉尼亚理工大学、爱荷华州立大学和内布拉斯加林肯大学的 Sean Frey、ABM Tahidul Haque、Elizabeth Krotz、Cole Haverkamp 和 Chanhong Lee 完成。