Science合作期刊！北大喻俊志團隊打造兩棲超級吸盤，靈感七鰓鰻

在變幻莫測的跨介質環境中，無論是干燥陸地、潮濕表面還是完全淹沒的水下，實現可靠的抓取與附著一直是暫棲機器人、爬行機器人及復雜表面作業系統面臨的長期挑戰。

對于這一問題，大自然早已給出了進化的答案。

作為地球上最古老的脊椎動物之一，進化超過5億年的七鰓鰻（Lamprey），憑借其獨特的口盤結構，即便在湍急的水流中也能死死吸附在獵物或巖石表面。這種卓越的適應力源于其“負壓吸附+機械鎖合”的協同策略機制，其中柔軟唇緣實現界面密封，肌肉泵產生強負壓，環繞分布的角質齒則與復雜表面形成物理互鎖。

然而，現有的仿生吸附系統往往陷入“單打獨斗”的局限：受壁虎啟發的干粘附在水下會因水膜干擾失效，受章魚啟發的吸盤在面對粗糙多孔表面時則因無法密封而無計可施。

針對這一行業痛點，北京大學喻俊志教授團隊受七鰓鰻口吸盤啟發，研制出一種新型混合粘附吸盤。該設計創新性地集成了溫控變剛度形狀記憶聚合物（SMP）陣列與柔性硅膠唇圈，成功打破了兩棲環境與表面粗糙度的雙重性能壁壘，為新一代兩棲機器人的自適應抓取開辟了全新路徑。

01.

科學問題：復雜兩棲界面上，負壓吸附與機械鎖合如何協同作用，以突破粗糙表面密封受限的附著瓶頸，實現穩定、可逆的普適吸附？

針對這一問題，喻俊志教授團隊受七鰓鰻口吸盤形貌與功能啟發，揭示了“負壓吸附+機械鎖合”的協同機理，在Science合作期刊《Cyborg and Bionic Systems》上發表了題為“Lamprey-Inspired Amphibious Suction Disc with Hybrid Adhesion Mechanism”的研究論文。

受七鰓鰻口吸盤中角質齒、肌肉泵與柔軟周緣協同工作的啟發，研究團隊創造性地設計了一種SMP吸附面板與柔性唇圈密封的混合粘附吸盤。該吸盤直徑98mm，重量僅為70g。為了實現類似七鰓鰻般穩固的吸附，該吸盤的工作流程展示了“剛”與“柔”的完美銜接。

首先，內置的柔性加熱器迅速工作，將SMP陣列面板加熱至玻璃化轉變溫度以上，使其由堅硬的玻璃態轉變為極具順應性的橡膠態。隨后，吸盤與目標表面接觸，柔軟的硅膠唇邊受壓變形并緊貼表面，形成可靠的流體密封。緊接著，內部真空系統開始工作，排出腔室內流體的同時產生負壓，這股壓力不僅提供了初始的吸附力，更將處于橡膠態的SMP陣列緊緊壓入表面的微觀凹縫與不規則結構中，精準完成“形貌拓印”。隨著加熱停止，SMP在環境中逐漸冷卻并重新硬化進入玻璃態，從而將先前拓印的幾何形貌物理鎖定，與表面的微觀凸起形成穩固的機械鎖合。

這種設計使得吸盤的粘附強度得到了極大增強，且成功實現了吸附強度與持續真空維持之間的脫鉤，即使在外部真空失效后，依靠機械鎖合的SMP依然能維持長時間的穩固附著。當需要脫離表面時，系統再次啟動加熱使SMP變軟以釋放鎖合，并同時向腔室內充入流體打破密封，從而實現快速、無損且可控的脫附與復位。

圖4 溫控形狀記憶聚合物（SMP）和硅膠作用示意圖

圖5 SMP材料工作原理

02.

性能驗證：吸附力的突破與全地形自適應

空氣與水下的粘附性能實驗結果表明，該仿生吸盤在性能上實現了跨越式的突破。在光滑表面上，該吸盤在空氣中產生的最大吸附力可達562.6 N，而在水下則表現出更優的性能，吸附力進一步提升至590.7 N。這意味著這個重量僅為70 g的小巧裝置，能夠吊起超過其自身重量850倍的重物。

更為關鍵的是，該研究打破了傳統吸盤在粗糙表面性能斷崖式下跌的魔咒。在表面粗糙度Ra達到707 μm的工況下，傳統真空吸盤往往因漏氣產生泄漏路徑而徹底失效，而本研究的混合吸盤依然能保持穩固粘附。量化對比顯示，SMP層的引入使吸盤在空氣和水下的粘附力較純負壓模式分別提升了377%和270%。

在耐久性方面，得益于SMP的形貌鎖合效應，吸盤在空氣中承受5N負載時的粘附時間長達26.8小時，相比無SMP的對照組提升了近195%。而在水下環境，其保持時長的提升幅度可達到540%。

圖6 仿生吸盤性能測試與表征

03.

應用演示：跨越介質的“全能抓手”

為了進一步驗證這種混合粘附機制的系統級功能，研究團隊通過一系列挑戰性的實驗演示，展示了該吸盤在真實作業環境中的自適應能力。

在空氣中，該吸盤表現出了極寬的作業跨度，能夠穩固抓取質量跨越6個數量級的物體。無論是僅重0.01 g的電子芯片、形狀規則的筆記本電腦（1.1 kg），還是重達11.4 kg的木質桌面，吸盤均能游刃有余地完成任務。此外，它還完美兼容了平整、粗糙、彎曲及不規則的各種幾何表面，如電路板、水杯、甚至是結構復雜的扳手和鐵錘。

在水下環境中，這種適應性同樣出色。吸盤不僅能吸附光滑的金屬錢幣，還能在紅磚、扇貝殼、大海螺等具有自然孔隙或復雜曲線的物體上維持穩定抓取。

圖7 仿生吸盤抓取性能展示

最令人印象深刻的演示是該吸盤與機械臂集成的跨介質操作。

在實驗中，機械臂攜帶仿生吸盤，在空氣中精準抓取了一臺仿生蝠鲼機器人，并將其平穩地放入水中；機器人游過一圈后，吸盤在水下再次發力，將機器人從水中穩穩提回空氣中。這一過程充分證明了吸盤在空氣與水界面轉換時的極高可靠性。實驗記錄的壓力與溫度曲線顯示，SMP的相變與負壓系統協同工作，為跨介質的動態過程提供了持續且穩定的粘附力。通過與現有的仿生吸附系統進行橫向基準測試，該混合吸盤在粘附應力和摩擦應力方面均展現出了顯著的優勢。尤其在處理具有挑戰性的表面和長效負載附著時，其表現超越了大多數單一機制的仿生設計。

圖8 蝠鲼機器人跨介質抓取展示

該論文的第一作者為北京大學先進制造與機器人學院特聘副研究員李磊和碩士研究生高文卓。北京大學先進制造與機器人學院喻俊志教授為通訊作者。

合作者包括北京大學先進制造與機器人學院博士研究生秦博揚、王博、助理研究員孔詩涵，新加坡國立大學設計與工程學院博士研究生張以遠，香港城市大學校長助理教授令狐昌鴻，北京理工大學機電學院馬藝甜等。

相關研究得到了國家自然科學基金、北京市科技新星計劃、河北省自然科學基金、國家資助博士后研究人員計劃及中國博士后科學基金等的聯合資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.34133/cbsystems.0527