[0001] 本发明涉及仿生吸盘技术领域，具体涉及一种真空负压合并毛细力吸附机理的仿清道夫鱼软体吸盘。

[0002] 地球因其生物体的多样性而与众不同，在亿万年的进化演变中，每个生物体都成为地球这个大家庭不可或缺的一部分。这些生物体在日常的生存中逐渐演化出了各自独特的本领。章鱼、壁虎以及鲍鱼等生物展示了强大的吸附能力，这引起了研究者的广泛关注。如果能仿生设计出具有这些生物强大吸附能力的结构或装置，将对人类的实际生活产生巨大影响。

[0003] 具有边呼吸边吸附特性的清道夫鱼，引起了研究者的高度关注。清道夫鱼的吸附部位与呼吸部位均位于嘴唇，这一特点更加凸显了其独特的生物学特性。这就会引发一个明显的悖论：对于一个功能正常的吸附装置，必须保持内部绝对密封以确保吸附功能正常。然而，清道夫鱼需要呼吸，因此必须保持嘴唇同外界的通畅，以满足其基本的生存需求。研究表明，清道夫鱼的吸附和呼吸两者密不可分。在吸气时，瓣膜前腔收缩，瓣膜后腔扩张，鳃孔关闭，唇沟开启，水通过唇沟流入瓣膜前腔，最终到达瓣膜后腔；而在呼气时，瓣膜前腔扩张，瓣膜后腔收缩，鳃孔开启，唇沟关闭，水则从鳃孔排出体外。

[0004] 由于清道夫鱼常年生活在水下，所以清道夫鱼进行吸附时，唇盘与吸附面间通常有一层液体层，即在相距几乎零距离的唇盘和吸附面间填充着一定量的液体，该液体同唇盘及吸附面形成表面附着的效果，这种两固体间相距很近且中间填充液体相互连接的系统称之为液桥系统，该系统会产生一种液桥力，液桥力是毛细力的具体表现形式。该液桥力产生的根源是液体间的内聚力及液体与固体间的附着力综合作用的结果，液桥力会在清道夫鱼吸盘的吸附过程中起到增强吸附效果的作用。清道夫鱼吸盘主要利用内部腔道的真空负压产生负压动力源及唇盘上大小不一、排列无序的乳突的毛细力作用来完成来完成吸附和脱附的。

[0005] 清道夫鱼吸盘主要由唇盘、瓣膜前腔和瓣膜后腔组成。CT扫描成像显示，清道夫鱼吸盘在材料特征上呈现出刚度梯度的特点。其中，唇盘和瓣膜前腔的组织较为柔软，而瓣膜后腔则较硬。鱼体解剖显示，清道夫鱼吸盘在结构特征上呈现出侧向分布的特点。为了模仿这种侧向产生负压的机制，吸盘靠近鳃孔位置预留了侧向抽取真空的通孔，这一设计在一定程度上符合清道夫鱼吸盘的天然真空负压吸附机理。为了模拟乳突的毛细力吸附作用，在唇盘上设计了大小不一、排列无序的圆顶结构，以模仿乳突的结构。这样做尽可能地还原了天然清道夫鱼吸盘的毛细力吸附机理。

[0006] 目前，常见的仿生吸盘结构大多是锥形或按压式的，但它们存在使用寿命短、真空度低、吸附机理单一等问题。因此，需要探索新的生物学灵感和吸盘设计。本发明提出的基于清道夫鱼的真空负压合并毛细力吸附机理的仿生软体吸盘，正是受到了清道夫鱼吸附机理的启发。该结构新颖，吸附性能优异，具备变刚度的特性并综合了两种吸附机理，满足了多样性需求。因此，它特别适宜小批量生产与结构性能研究。

[0027] 为了使本发明的实现技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接或是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以两个元件内部的连通。

[0028] 实施例

[0029] 如图1所示，一种真空负压合并毛细力吸附机理的仿清道夫鱼软体吸盘，该设计方案从仿生学出发，融合了机械设计方法和材料学相关知识。首先，分析了清道夫鱼的吸附机理，发现该吸盘主要利用内部腔道的真空负压产生负压动力源及唇盘上的乳突的毛细力作用来完成来完成吸附和脱附。接着，研究吸盘的构成部分，发现其由唇盘、瓣膜前腔和瓣膜后腔组成。进一步，分析了吸盘材料特征和结构特征，发现唇盘和瓣膜前腔的组织硬度较低，而瓣膜后腔的组织硬度较高，因此，该吸盘在组织硬度上呈现分层结构，在结构特征上呈现出侧向分布的特点。最后，通过设计内外模具和模具成型法成功地制备了仿清道夫鱼软体吸盘。

[0030] 具体包括以下内容：

[0031] 一种真空负压合并毛细力吸附机理的仿清道夫鱼软体吸盘，具体包括以下内容：

[0032] (1)、吸附机理分析：清道夫鱼的吸盘位于嘴唇处，清道夫鱼吸盘主要通过内部腔道的真空负压产生负压动力源及乳突的毛细力作用完成吸附和脱附；

[0033] (2)、吸盘组成部分分析：清道夫鱼吸盘主要由唇盘、瓣膜前腔及瓣膜后腔组成，吸附部位主要由唇盘和瓣膜前腔组成，唇盘上的乳突结构能够加强吸附效果，瓣膜后腔起到稳定吸盘吸附位置的作用；

[0034] (3)、吸盘材料特征分析：对清道夫鱼吸盘进行CT扫描成像，并由CT扫描成像显示，清道夫鱼吸盘在材料特征上呈现出刚度梯度的特点；唇盘和瓣膜前腔的组织较为柔软，而瓣膜后腔则较硬；唇盘作为吸附面的直接接触部位，其偏软的材质能够更好地适应各种复杂的吸附面，其上的乳突结构能够在湿滑环境下通过毛细力作用加强吸盘的吸附性能；

[0035] (4)、吸盘结构特征分析：根据鱼体解剖显示，清道夫鱼吸盘在结构特征上呈现出侧向分布的特点；清道夫鱼吸盘通过侧向产生负压的机制，使得其吸附更加可靠、适应性更广，因此在吸盘靠近鳃孔位置预留侧向抽取真空的通孔；乳突结构多为柱形且在唇盘上排列无序、大小不一，为了模拟乳突的毛细力吸附作用，需在唇盘上设计大小不一、排列无序的圆顶结构，以模仿乳突的结构；

[0036] (5)、吸盘的制备：以一体长30cm的清道夫鱼为研究对象，对清道夫鱼内部腔道进行石膏倒模实验，得到完整的内部腔道石膏模型，如图2所示，对石膏模型进行3D扫描，得到相应的三维数字模型，利用Solidworks软件进行仿生清道夫鱼吸盘模型的设计，最终得到仿生吸盘模型，如图3所示，并通过模型制造模具，且该模型包括上模具和下模具，如图4、图5和图6所示，装配后如图7所示；其中吸盘的唇盘和瓣膜前腔的组织较为柔软，采用Ecoflex Series‑00‑50，瓣膜后腔的组织较硬，采用Dragon Skin Series‑30；通过模具先制备唇盘和瓣膜前腔：取等体积或等重量的A型和B型硅胶溶液，其中遵循先B型硅胶溶液后A型硅胶溶液的原则，将A型硅胶溶液倒入完毕后，用搅拌棒按同一方向充分混合搅拌硅胶混合液持续5到8分钟，且在进行搅拌时，用搅拌棒刮取烧杯底部和外部，以免在烧杯壁和底部形成沉积，如图8所示；在首次浇注的A型硅胶溶液不再明显流动时，再以相同的方法进行瓣膜后腔的浇注；最后，等待16个小时后进行模具的脱模，得到侧向吸附的具有刚度梯度的仿清道夫鱼软体吸盘。

[0037] 最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。