在机器人领域，实现对不规则三维物体的稳定可靠抓取，以及对高速动态目标的精准捕获，一直是亟待突破的重要挑战。在诸多抓捕方式中，粘附式抓手具备节能、可持续等优势。然而，传统粘附式抓手在适应复杂非平面表面形貌、应对动态碰撞过程中的能量耗散于缓冲方面，仍存在显著局限，严重制约其在复杂环境下的实用性和通用性。
SAMMS的核心创新在于整合了多稳态卡扣结构、可转动球窝末端与粘附薄膜，构建了兼具形状适应性与能量吸收能力的一体化智能粘附系统。
实验结果表明，SAMMS在核心性能指标上全面超越传统设计：
1）三维表面粘附增强：在不同半径的玻璃球表面的粘附测试结果显示，SAMMS的粘附力与半径呈线性关系，较传统设计提升约6.66倍。这一提升源于卡扣结构的形状适配与球窝结构的共形接触协同作用，有效解决了三维表面接触面积不足的问题。
2）动态捕获范围的拓展：凭借多稳态结构的能量耗散特性，SAMMS可捕获速度高达30 m/s的动态目标，较传统粘附抓手的可捕获速度范围提升了100%。
图1. SAMMS的3D结构、静态和动态抓取原理、粘附力与传统粘附抓手对比
多稳态卡扣结构设计：通过卡扣管与凹槽的精准配合，实现接触过程中的自适应变形与能量吸收。该结构仅需约2 N的推入力即可完成形状调整，却能提供高达15 N的拉出阻力，在保证灵活适配的同时确保抓取的稳定性。
球关节末端设计：可以自由转动的球窝关节，赋予了粘附单元旋转自由度，显著提升对物体局部曲率的适配性。实验表明，在15°倾斜表面上，带球关节的设计仍能保留70%的粘附强度，而无球关节结构则仅剩38%，大幅改善了非理想接触条件下的性能衰减。
阵列设计：SAMMS的粘附强度遵循
（阵列面积Ac，粘附强度
）的幂律关系，在1600 mm²面积下仍保持55.06%的单单元粘附效率，显著优于现有设计，为规模化应用奠定基础。
图2. SAMMS的卡扣结构、球窝结构设计以及粘附性能
可控释放机制：通过气动驱动的推板结构选择性推出卡扣圆管，实现接触面积的动态调控。在50 mm半径半球表面测试中，其粘附切换比（最大/最小粘附力）达23.54，为精准释放提供了可靠保障。
图3. SAMMS的释放机构（气动驱动）与驱动结构设计
SAMMS的多功能性在系列实验中得到验证，可实现从玻璃、鸡蛋、棒球到直径500 mm空心钢球的稳定抓取（重量覆盖自身质量的44倍，尺寸达480倍）。
图4. SAMMS抓取平面、圆柱形、球形及不规则形状等不同大小和形状物体的多功能性演示
凭借多稳态结构的能量耗散特性，SAMMS具有捕获动态物体的能力。高速碰撞测试表明，其能通过卡扣管的状态跃迁高效耗散动能，避免弹性碰撞导致的反弹脱离。
图5. SAMMS动态捕获实验及机械臂集成应用演示
集成于机械臂后，还能精准拦截捕获高速飞行物体，为太空碎片清除、高速生产线分拣等任务提供技术支撑。未来通过与智能材料、感知单元的集成，有望进一步优化环境适应性与动态响应速度，推动智能抓取技术在工业、航天等领域的革新应用。
该研究为力学超结构在智能抓取中的应用开辟了新范式，其物理智能设计理念对相关领域的技术发展具有重要借鉴意义。
南京大学博士生（新加坡南洋理工大学访问博士生）徐锐、新加坡南洋理工大学博士后研究员令狐昌鸿、科研助理毛文涛为论文共同一作；新加坡南洋理工大学博士后研究员令狐昌鸿、南京大学教授卢明辉、南京理工大学教授李鑫、新加坡南洋理工大学校长讲席教授夏焜为论文共同通讯作者；其他作者包括新加坡南洋理工大学张昊喆、姜皓誉、李琰，南京大学博士后研究员何玉龙、新加坡南洋理工大学博士后研究员刘杨承毅、清华大学高华健院士、南京大学教授陈延峰。
文章链接：
R. Xu, C. Linghu, W. Mao, et al. Shape-Adaptive Mechanical Metastructure Enables Robust Adhesion and Dynamic Capturing of 3D Objects. Adv. Funct. Mater. (2025): e14499.
https://doi.org/10.1002/adfm.202514499
