七鳃鳗启发的吸盘可提起其重量的850倍

大自然最坚韧的握力

七鳃鳗不是海洋中最上镜的生物。这些无颌、鳗鱼般的鱼类通过圆形口盘附着捕食，口盘上有排列整齐的微小牙齿和强大的吸力机制。一旦附着，七鳃鳗可以在最汹涌的海洋条件下坚持捕捉宿主，抵抗足以撕裂任何传统吸盘的力量。

现在，北京大学的科学家们反向工程了这一非凡的生物粘合系统，创造了一个人工吸盘，可以提起超过其自身重量的850倍。该装置可在潮湿、粗糙和弯曲的表面上工作——这些条件会击败传统吸盘——为水下机器人、工业制造和手术器械开启了应用前景。

破译七鳃鳗的秘密

研究团队首先对七鳃鳗口盘进行了详细的微CT扫描，绘制了牙齿的精确几何形状、周围软组织和产生吸力的肌肉结构。他们发现的是一个复杂的多尺度粘合系统，其工作原理与家用吸盘的简单真空密封大不相同。

传统吸盘通过在杯子和表面之间产生部分真空来工作。按下它，挤出空气，大气压就会将其固定到位。这在光滑、清洁、干燥的表面（如玻璃或瓷砖）上效果很好，但在粗糙、潮湿或弯曲的表面上失效，因为空气会通过杯子和不规则表面之间的间隙泄漏回来。

七鳃鳗的口盘用分层结构解决了这个问题。口盘的外环对宿主皮肤形成宏观尺度密封。在这个环内，排列整齐的微小牙齿压入表面，创造微观尺度的互锁点，防止口盘滑动。牙齿之间的软组织变形以填充表面不规则处，消除了会破坏常规密封的空隙。肌肉收缩主动维持并调整吸力压力以应对外力。

工程人工版本

将生物设计转化为工程设备需要材料科学和微细加工方面的创新。人工吸盘使用柔软硅胶外环，模拟七鳃鳗可变形的嘴唇，创建初始宏观尺度密封。这个环内有一系列微尺度聚合物牙齿，使用精密3D打印制造，提供防止在粗糙表面滑动的互锁握力。

牙齿之间的空间填充有水凝胶材料，在水的存在下轻微膨胀，实际上改善了其在潮湿条件下的密封性能。这与大多数粘合技术相反，后者在潮湿时会降解。一个小型内部泵，类似于七鳃鳗的肌肉收缩，主动维持吸力压力并可实时调整握力。

结果是一个直径仅几厘米的吸盘，可以支持超过其自身重量850倍的负载。在实验室测试中，该设备在粗糙混凝土、弯曲玻璃瓶、潮湿钢铁，甚至生物组织上保持了握力——这些是让商用吸盘无用武之地的表面。

机器人和工业应用

最直接的应用是在水下机器人中。用于水下检查、维护和维修的遥控潜水器(ROV)经常需要附着到表面——船体、管道壁、桥墩支撑——这些表面被生物膜、腐蚀和海洋生长覆盖。当前的附着机制在这些条件下经常失效，限制了ROV的工作能力。七鳃鳗启发的吸盘夹持器可以让水下机器人可靠地附着到几乎任何浸没表面。

工业制造呈现了另一个主要机遇。工厂中的拾取放置机器人使用真空夹持器沿装配线移动组件，但这些夹持器难以处理不规则形状、多孔或潮湿的物体。一个仿生吸盘夹持器可以处理更广泛的材料和形状，减少了对每个产品类型的定制夹持解决方案的需求。

在医学中，该技术可以实现新的手术器械，可以握住和操纵潮湿组织而不损伤它。当前的手术夹持器依赖于机械夹紧，这可能会压伤或撕裂细致的组织。一个符合组织表面的基于吸力的夹持器可以提供安全处理，外伤远少。

规模化和展望

研究团队现在正在为不同的应用规模化该技术。更大的版本可以作为水下建筑设备的锚定系统，而微型化版本可以使微型机器人能够攀爬潮湿的墙壁或在人体内导航以进行诊断或治疗目的。

七鳃鳗吸盘加入了越来越多的仿生技术组合——壁虎启发的粘合剂、鲨鱼皮启发的表面、蜘蛛丝启发的纤维——这表明数百万年的进化如何可以启发工程解决方案，超越传统设计。在这种情况下，大洋中最不吸引人的生物之一提供了其最有能力的夹持技术的蓝图。

本文基于New Atlas的报道。阅读原文。