大象的鼻子不僅能夠在空地上拖動一根倒下的樹幹，還能在瞬間小心地剝開一根香蕉而不會使果實受損。這種從強大力量到精細操作的能力，源自其無骨、全肌肉的結構，這一點令軟體機器人研究者們多年來感到著迷。最新研究已經精確地描繪出鼻子皮膚使得這一能力得以實現的原因，甚至深入到微觀結構的層面。研究者盧西亞·貝卡伊（Lucia Beccai）及其同事研究了 2020 年在瑞士蘇黎世動物園因自然原因死亡的一隻成年亞洲象（Elephas maximus）的鼻子組織。
團隊利用從這個標本中取得的 35 個組織樣本，結合生物力學測試、組織學、多種成像技術和計算建模，前所未有地詳細描述了鼻子的皮膚。
大象鼻子的結構特徵揭示了其獨特的功能
研究的主要發現是，鼻子的皮膚並不是均勻的材料，而是明顯分為兩個不同的機械區域，各自為完全不同的任務而設計。上部皮膚功能類似於一種盔甲：堅韌、保護性強，且其硬度是鼻子下部皮膚的 3.14 倍。這種硬度在功能上是合理的——鼻子上部是拖過粗糙樹皮、刮擦地面以及在重物搬運和推動時吸收衝擊的部位。下部皮膚則相反：高度靈活且敏感，專門為抓握而設計。其低硬度使得它能緊密貼合大象所處理的物體的輪廓——無論是樹幹、一塊水果，還是大象在打招呼時的另一隻鼻子——最大化皮膚與物體之間的接觸面積，從而在不需要過多肌肉力量的情況下產生穩定、
安全的抓握。
最引人注目的發現是在下部皮膚的表面之下：稱為真皮乳頭的圓頂形結構。利用有限元建模這一計算技術來模擬物理結構對應力的反應，研究者發現這些乳頭像是潛藏在表面下的機械透鏡。這些圓頂形乳頭不僅僅是用來緩衝皮膚，而是集中並放大機械壓力，正好在鼻子的感覺神經的位置上。這一結構實際上充當了生物信號增強器——將微弱的機械輸入（例如香蕉皮的質地）放大，然後再傳遞到負責解讀觸覺的神經末梢。
這項研究為軟體機器人設計提供了新思路
根據該研究的作者，這種雙區域機械調整的結構為工程師設計下一代軟體機器人系統提供了一個現成的藍圖。鼻子不需要獨立的“盔甲”和“傳感器”組件連接在一起——它通過單一的連續組織實現了兩種功能，並在硬度和表面幾何形狀上進行了工程變化。實際意義在於，通過使用仿生多材料方法——從分層材料製造機器人抓手，硬度設計上故意變化，類似於鼻子的自然上下二分法——工程師可以製造出具有被動外部保護的抓手，同時放大微弱的觸覺信號，所有這一切都不需要將精密的傳感器直接暴露於機械磨損和摩擦之下。
這種結合在軟體機器人抓手設計中一直是一個持續的挑戰：敏感到足以檢測微妙觸覺的傳感器通常是最容易受到重複接觸所造成的物理損壞的元件。大象鼻子的解決方案——在一個保護性、漸變硬度的盾牌下集中敏感性——為機器人研究者們尋求多年的結構性答案提供了啟示。該研究發表在《PNAS Nexus》期刊上。
