Clingfish生物启发更好的吸盘

　　一个由工程师和海洋生物学家组成的团队建造了一个更好的吸盘，这个设计的灵感来自于一种机制，它可以让粘鱼附着在光滑和粗糙的表面上，比如涨潮和退潮区域的岩石。
　　研究人员对粘鱼的吸盘进行了反向工程设计，开发出了一种设备，可以很好地附着在水中的干湿物体上。这些设备可以承受自身重量的数百倍。它们可以广泛应用于从产品的搬运和包装，到制造中的机器人钳子，再到考古文物的回收。
　　加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究小组在最近一期的《生物灵感与仿生学》杂志上发表了他们的研究成果。
　　该项目的总体目标是开发一种新技术，能够提供微妙的抓地力来处理脆弱的物体。这项研究强调了生物模拟的重要性，它让从工程到生物学的各个学科的科学家们一起工作，从大自然中汲取灵感来开发新技术。
　　＂我一直对自然着迷，尤其是那些已经进化出来的复杂而又引人入胜的设计，它们能做现代科技做不到的事情，＂加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院(UC San Diego Jacobs School of Engineering)的博士生、该研究的主要作者杰西卡·桑多瓦尔(Jessica Sandoval)说。＂这是一个绝佳的机会，可以研究这些粘鱼的粘附机制，并解决如何改进吸盘粘附技术的问题。＂
　　通过生物模拟技术改进吸盘
　　粘鱼是一种广泛分布于热带和温带地区的小鱼。它们在潮间带很常见，它们利用强大的吸力附着在岩石、藻类和海草上。即使在强大的水流和海浪的冲击下，它们也能粘在这些表面上。在这项研究中使用的粘鱼是一种原产于西海岸的鱼类，是在圣地亚哥附近收集的。
　　通过研究他们收集的粘鱼，桑多瓦尔和他的同事们发现，模仿这种动物的附着机制的秘密是在人工吸盘中加入一层柔软的层和缝隙。粘鱼的吸盘上排列着一排排六角形的结构，被称为乳头状结构，上面覆盖着微小的纤维。研究人员在他们的模型内部用硅树脂做了一个柔软的层。这一层大大改善了粗糙表面的粘接性能。该团队还在吸盘的腔体中加入了缝隙，以确保更好地附着在不规则的凹面上。
　　加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋学研究所(Scripps Institution of Oceanography at UC San Diego)的海洋生物学和生物模拟研究员迪米特里·德海恩(Dimitri Deheyn)表示:＂当我第一次与工程领域的同事交谈时，我确信优化吸盘的诀窍将来自生物学。＂＂我还确信，一个更好的吸盘将结合独特的设计架构和某种3d、多功能的机械装置。＂
　　吸盘的性能
　　研究人员开发的人工吸盘能够吸附在粗糙的表面，比如粗糙的砂纸，以及高度变化的表面，从岩石到蔬菜，在水中和水中都能吸附。研究人员还表示，他们的设备可以在不粉碎樱桃和草莓的情况下收集所有东西，还可以用来制作海螺壳和花瓶。
　　该研究报告的作者之一、加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的机器人技术专家迈克·托利教授说:＂许多粘合剂只能很好地附着在干燥或潮湿的表面上，很难粘住粗糙的表面。＂＂我们的设备可以做到这一切。＂
　　这种设备可以支撑一个重物超过6个小时，研究人员认为可以延长更长时间。此外，这些以clingfish为灵感的吸盘有一个令人印象深刻的抓力，因为它们的大小:一个吸盘可以支撑350倍于自身重量的重量，而悬浮在空气中。
　　研究人员甚至在远程操控机器人(ROV)的手臂上安装了他们的设备，并证明它可以在不打碎鸡蛋的情况下操控生鸡蛋。
　　＂我对这个特殊的ROV应用程序特别感兴趣，＂桑多瓦尔说。他是一名深海ROV飞行员，同时也是一名博士生。＂在驾驶遥控飞行器的时候，我使用水下机械手，以便从海底收集精致的样本。我经常希望我有一个工具，精致的抓手补充机械手的金属钳有力的把握。我在深海的工作是寻找自然灵感的真正动机。＂
　　实验和分析
　　这些粘鱼是在艾伦·布朗宁·斯克里普斯码头以北的潮汐池里收集的。作为斯克里普斯海岸海洋保护区的一部分，加州大学圣地亚哥分校的科学家们可以获得许可证，从该地区收集用于科学目的的生物，这使它成为大学的一项独特资产。
　　在制作clingfish吸盘的过程中，该团队还尝试模仿clingfish的微小纤维，在人工吸盘的足迹上覆盖一层由硅树脂制成的微小支柱。有趣的是，他们发现由一层厚厚的硅树脂构成的简单设计比用微型柱构成的设计表现得更好。
　　跨学科研究小组分析了clingfish设计的人工吸盘的性能。研究人员描述了光盘足迹的表面接触，以了解它们如何与表面相互作用。他们试图通过有限元分析来模拟吸盘的变形过程，从而理解其内在的能量学。他们还测试了不同表面曲率和不同表面粗糙度下的粘合强度，从光滑的丙烯酸到粗糙的砂纸。他们测试了将阀瓣附着在表面所需的力的大小，这取决于表面的粗糙度。他们发现，只需很小的力就可以将光盘固定在一个表面上，这就解释了为什么这种设备能够处理微妙的物体。