快速抓住去壳生鹌鹑蛋、抓活鱼、鱼卵，抓比头发丝还细的线、抓水豆腐……更厉害的是，这些被抓物体“毫发无伤”。
近日，中国科学技术大学工程科学学院、人形机器人研究院副教授李木军、教授张世武，联合生命科学与医学部教授胡兵，研制出了一种新型多孔磁性软体抓手（以下简称抓手），能够迅速且安全地抓取脆弱的生物活体，有望应用在野外生物样本收集和生物医学研究中。相关研究成果日前发表于《先进材料》。
软体抓手安全移取斑马鱼卵。受访者供图
极短时间内抓取脆弱活性物体
磁性软体抓手因其操作灵活、反应迅速，并且对生物体安全而备受瞩目。它们特别适合用来精细地处理那些脆弱的生物体。然而，如何在操作过程中不伤害这些生物体，一直是科研人员面临的一个挑战。
李木军等通过在柔性磁性硅胶中融入多孔设计，使得抓手能抓大到比其重几十倍的重物，小到35微米的细线，还能完整抓取脆弱的物体，比如蒲公英、去壳的生鹌鹑蛋，以及生物活体如鱼、鱼卵和小鸡等。
“这项技术在国际磁性软体抓手领域具有很强的创新性和先进性。”李木军向《中国科学报》介绍。审稿人也对该工作给予高度评价，认为“该研究对软体机器人领域做出了重要贡献”。
为了展示抓手的高超能力，李木军演示了抓手70毫秒内安全抓住上抛的去壳生鹌鹑蛋的过程。“这个实验的难点在于要在鹌鹑蛋上升的数百毫秒时间内，快速抓取到。一般抓手要么没有那么快，要么直接就把生鹌鹑蛋夹破了。”
斑马鱼卵是一种非常脆弱的活体。目前，研究人员取鱼卵，主要靠吸管吸。这种方式效率不高，且可能会损伤细胞。
李木军利用新型抓手尝试抓取鱼卵，并在胡兵的支持帮助下，做了多组对照实验，对抓取后的斑马鱼卵进行了长周期的观察。数据表明，抓手对鱼卵的存活、发育以及成鱼后的运动活力均无显著影响。
“未来，这款抓手甚至可以应用在人体器官移植上，为医疗微操作器械的创新提供新的可能性。”李木军介绍。
软体抓手抓蒲公英。受访者供图
“做减法”创新多孔结构材料
这款如此厉害的抓手，其实就是由两片长方形磁铁组成。但与普通磁铁不同的是，它既柔软又有弹性，表面和内部还有很多小孔。
“硅胶是抓手的主要材料。在硅胶中，分散着一个个微米级的磁性颗粒，即磁粉，形成了磁性硅胶复合材料。当外部磁场作用时，抓手中的磁性颗粒就会响应，使得抓手在磁场中变形，这样就可以抓住物体；当关闭磁场或施加相反方向的磁场，抓手打开，释放物体。”李木军介绍。
一般来说，要想提高抓手的抓取力，传统的做法是增加磁粉的含量。但磁粉越多，抓手反而会变硬，抓取能力下降。
为使抓手同时保持高抓取力和柔软性，李木军等提出在结构上“做减法”，也就是在磁性硅胶中造孔。然而，在材料合成过程中，实现高磁粉含量与较大孔隙率的兼顾，是一个极具挑战性的任务。
他们尝试过很多造孔方法和材料，但均未达到理想效果。一次，论文第一作者、中国科大博士生李幸响在阅读相关文献时，受到启发，最终选定了固体模版分解造孔法，解决了该难题。
固体模版分解造孔法即使用可分解的固体材料来形成所需要的孔隙。“我们使用碳酸氢铵作为造孔剂，它在加热过程中分解为气体，从而可以在高磁粉含量的抓手中形成丰富的孔隙结构。”李幸响介绍。
李木军说，这看似是“做减法”，实际上却是在增强抓手的性能。“通过引入多孔结构来替代部分硅胶，我们不仅提高了磁粉在磁性硅胶复合材料中的比例，增大了抓手的磁驱动力，还提高了抓手的柔性包裹能力。这种双重改进显著增强了抓手抓取重物的能力。”
正是凭借多孔结构，抓手变得更柔更软且更强了，能够适应复杂或形状不断变化的物体，提供了比传统机械抓手更可靠的抓取方案，特别是在快速抓取脆弱的生物活体时更为有效。
“这种造孔方法还具有广泛的适用性，可以为各类高性能材料的致动器与生物体间的安全交互提供新的思路。”李木军说。
抓手与移动平台集成，实现生物活体远程抓取。受访者供图
“打印”驱感一体化抓手
谈起研制抓手的初衷，李木军笑着说来源于一次闲聊。
2年前的一天，他与在中国科学院海洋研究所工作的师姐聊天。师姐说她在海上科考时，有几条漂亮的小鱼一直跟随着她们的科考船，当时特别想要立马抓住小鱼，带回所里做研究。但苦于没有工具，只能遗憾的看着小鱼游开。
师姐提出，“能不能想办法抓住鱼？”
此次工作中，团队开发了一款可远程操作的多孔磁性软体抓手，克服了传统磁驱动抓手对大型电磁场线圈的依赖，更有利于与移动平台相结合，从而适用于更广泛的应用场景。
“我们将远程抓手安装在无人机上，通过遥控器来控制抓手抓取水中的小鱼，实现了小鱼的快速抓取和远程转移。”李木军介绍，这个操作未来可以在野外生物样本收集中发挥更加重要作用，比如，需要研究某个海里的鱼类或草原上的小动物，可以通过抓手进行无伤捕获。
“接下来，我们希望开发一种集成驱动和传感功能的多孔磁性软体抓手，利用3D打印技术实现复杂结构的快速制造，提高抓手的性能和应用范围。”李木军说。
同时，他们计划将抓手与人形机器人结合，借助已有的移动机器人集成技术，实现更贴近生活场景的仿人手应用。
作者：王敏 来源：《中国科学报》（2024-10-21 14:31）
原文链接：https://paper.sciencenet.cn/htmlpaper/2024/10/20241022102435929122563.shtm
