水下手套將章魚的能力置于人類手中

由弗吉尼亞理工大學的邁克爾巴特利特領導的一組研究人員開發了一種章魚啟發的手套，能夠牢固地抓住水下物體。他們的研究被選為 7 月 13 日的《科學進展》封面。

人類并非天生具備在水下環境中茁壯成長的條件。我們用氣瓶呼吸，用氯丁橡膠服保護和溫暖我們的身體，用護目鏡看清楚。在這樣的環境中，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。

“在關鍵時刻，這會成為一種負擔，”機械工程系助理教授巴特利特說。“大自然已經有了一些很好的解決方案，所以我們的團隊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。當需要細膩的觸感時，為水而準備的手會很有幫助。

這些正是巴特利特和他的同事們試圖建造的附屬物。他在軟材料和結構實驗室的團隊將生物解決方案應用于由軟材料和機器人技術制成的新技術。

從強大的附著力中汲取靈感

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

每個吸盤的形狀像柱塞的末端，具有強大的抓取能力。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域以增加和釋放壓力。當許多吸盤嚙合時，它會產生難以逃脫的牢固粘合。

“當我們看到章魚時，粘合劑肯定很突出，可以根據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和機械傳感器的信息來控制八個手臂上的 2,000 多個吸盤。章魚確實將粘附可調性、傳感和控制結合在一起來操縱水下物體。”

為了設計他們的手套，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動膜。該設計旨在執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。

在開發了粘合機制之后，他們還需要一種讓手套感知物體并觸發粘合的方法。為此，他們請來了內布拉斯加大學林肯分校的助理教授 Eric Markvicka，他添加了一系列微型激光雷達光學接近傳感器，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，以將物體感應與吸盤接合配對，從而模仿章魚的神經和肌肉系統。

使用傳感器接合吸盤也使系統具有適應性。在自然環境中，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，讓他們可以毫不費力地撿起東西，像章魚一樣適應不同的形狀和大小。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的和諧組合。他們稱之為八角手套。

“通過將柔軟、反應靈敏的粘合劑材料與嵌入式電子設備相結合，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。他們發現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絡以利用所有傳感器進行物體檢測，他們還能夠抓住更大的物體，例如盤子、盒子和碗。由硬質和軟質材料組成的扁平、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。“這當然是朝著正確方向邁出的一步，但在我們達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，研究人員設想手套在水下抓握的軟機器人領域、用戶輔助技術和醫療保健中的應用以及組裝和操作潮濕物體的制造中發揮作用。

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