弗吉尼亚理工大学：水下手套将章鱼的能力掌握在人类的手上
Chanhong Lee和Ravi Tutika在Michael Bartlett的实验室测试Octa-Glove。
由弗吉尼亚理工大学助理教授领导的研究小组迈克尔·巴特利特开发了一种受章鱼启发的手套，能够牢固地抓取水下物体。他们的研究被选为7月13日的封面科学进展.
人类天生就没有能力在水下环境中茁壮成长。我们使用坦克呼吸，氯丁橡胶服来保护和温暖我们的身体，护目镜看得清楚。在这样的环境中，人类的手也很难抓住东西。任何试图抓住扭动的鱼的人都会作证说，水下物体很难用我们栖息的手指抓住。
“在关键时刻，这成为一种负担，”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寻找想法。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手从水中提取人和物体。握住滑溜溜的东西的人手必须使用更多的力，而铁握有时可能会损害这些操作。当需要细腻的触摸时，用手做成水会很有帮助。
这些是巴特利特和他的研究人员试图建立的附属物。他的团队在软材料与结构实验室将生物解决方案转化为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
章鱼是最有章鱼之一的地球上独特的生物，配备八个长臂，可以在水生环境中抓住无数的东西。在实用工具和智能的美丽整合中，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。
每个吸盘的形状都像柱塞的末端，具有强大的抢夺能力。在吸盘的宽外缘与物体形成密封后，肌肉收缩并放松轮辋后面的杯状区域以增加和释放压力。当许多吸盘接合时，它会产生难以逃脱的强力粘合。
“当我们观察章鱼时，粘合剂肯定会脱颖而出，根据需要快速激活并释放附着力，”Bartlett说。“然而，同样有趣的是，章鱼通过处理来自各种化学和机械传感器的信息，控制着八个手臂上的2000多个吸盘。章鱼确实将附着力可调性，传感和控制结合在一起，以操纵水下物体。
将灵感付诸行动
为了设计他们的手套，研究人员专注于重新想象吸盘：顺应的橡胶秸秆，上面覆盖着柔软的致动膜。该设计旨在执行与章鱼吸盘相同的功能 - 通过轻压激活对物体的可靠附着，非常适合粘附在平坦和弯曲的表面上。
在开发了粘合机制之后，他们还需要一种方法让手套能够感知物体并触发粘合。为此，他们从内布拉斯加大学林肯分校(University of Nebraska-Lincoln)请来了助理教授埃里克·马克维卡(Eric Markvicka)，后者增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，吸盘和激光雷达通过微控制器连接，将物体感应与吸盘啮合配对，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适应性强。在自然环境中，章鱼的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很自然的东西，并允许他们毫不费力地拾取东西，像章鱼一样适应不同的形状和大小。他们的解决方案是将合成吸盘和传感器紧密集成在一起的手套，这是可穿戴系统的和谐，在水下捕捉许多不同的形状。他们称之为Octa-glove。
“通过将柔软，响应灵敏的粘合剂材料与嵌入式电子设备融合在一起，我们可以在不挤压的情况下抓住物体，”Bartlett说。“它使处理潮湿或水下物体变得更加容易和自然。电子元件可以快速激活和释放粘附。只需将手移向物体，手套即可完成抓握的工作。这一切都可以在用户不按一个按钮的情况下完成。
戴上手套
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拾取和释放扁平物体，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，他们还能够抓取较大的物体，如板，盒子和碗。由硬质和软质材料组成的扁平，圆柱形，凸形和球形物体被粘附和抬起，即使用户没有通过合上手抓住物体。
“这些能力模仿了头足类动物的高级操作，传感和控制，并为合成水下粘合剂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取能力之前，我们还需要学习很多关于章鱼的知识，以及如何制作综合粘合剂。
展望未来，研究人员设想手套在水下抓取的软机器人领域，用户辅助技术和医疗保健中的应用以及组装和操纵潮湿物体的制造领域发挥作用。
这项工作是与肖恩·弗雷，A.B.M. Tahidul Haque，Elizabeth Krotz，Cole Haverkamp和Chanhong Lee一起进行的，代表弗吉尼亚理工大学，爱荷华州立大学和内布拉斯加大学林肯分校。该研究得到了美国国家科学基金会通过设计材料以彻底改变和设计我们的未来计划的支持。
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