大象的鼻子兼具强大力量与精细操作能力。借助这一完全由肌肉构成、没有骨骼支撑的结构,大象既能抬起沉重木材,又能完成如剥香蕉般的精细动作。Lucia Beccai 及其团队聚焦于鼻部皮肤本身,希望通过解析其结构与性能,为新一代高性能软体机器人设计提供参考。
研究团队获取了一只于 2020 年在瑞士苏黎世动物园自然死亡的成年亚洲象(Elephas maximus)的鼻子标本,并对其进行系统分析。

在发表于《PNAS Nexus》的研究中,作者利用生物力学测试、组织学分析、多种成像技术以及计算建模,对鼻子皮肤的 35 个样本进行了评估。结果显示,大象鼻部皮肤并非均质材料,而是呈现出明显的上下分区特征。
上部皮肤类似一层既坚固又敏感的“护甲”,其刚度约为下部皮肤的 3.14 倍,起到保护作用的同时仍保留一定触觉能力。与之形成对比的是,下部皮肤高度柔软、可弯曲,适合作为抓握和贴合物体的工作表面。

下部皮肤较低的刚度,使其在接触物体时能够更好地贴合表面,扩大接触面积,从而形成稳定而牢固的抓握。在这层皮肤表面之下,研究者发现了穹顶状的真皮乳头结构。有限元建模结果表明,这些穹顶结构如同“皮下机械透镜”,可以集中并放大局部机械应力,将其聚焦到感受神经所在区域,从而增强触觉信号。
作者指出,这种在同一器官中实现“保护层”和“高灵敏抓握层”功能分区的设计,为软体机器人系统提供了直接的仿生模板。通过采用多材料仿生策略,工程师有望开发出外层具被动防护、内层集成高灵敏传感的软体机器人抓手,在避免传感器直接暴露于磨损环境的前提下,仍能有效放大并捕捉微弱的触觉信息。
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