學(xué)習(xí)自然：紅外光與磁場聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的仿水黽微型機(jī)器人

自然界中許多昆蟲都具有獨(dú)特的材料特性及優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)性能，如昆蟲體表往往具有超疏水特性，能快速在水面運(yùn)動(dòng)、跳躍；具有輕薄的折疊翼、靈敏的復(fù)眼；能爬行、能鉆土、能游泳、能飛翔等。如何模仿昆蟲研制出功能新穎、多樣的微型機(jī)器人，揭示微觀尺度下新的現(xiàn)象和規(guī)律并服務(wù)于人類，是科研人員面對和思考的問題。

日前，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所微納米課題組在微型機(jī)器人領(lǐng)域取得新進(jìn)展，所研究的仿水黽微型機(jī)器人可在紅外光與磁場的聯(lián)合驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)可編程多模態(tài)運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。

圖1. 基于超疏水特性的仿水黽微型機(jī)器人

夏天在公園的湖面上漂浮著很多類似于蚊子的小蟲，學(xué)名為水黽。這種生物雖然個(gè)頭小，但是本領(lǐng)卻很大。作為自然界中一種獨(dú)特的生物，水黽可以漂浮在水面上并實(shí)現(xiàn)滑行、跳躍，它們利用這種本領(lǐng)可以捕獲掉落在水中的獵物，是高超的狩獵者。

圖2a顯示了水黽在水面上的光學(xué)圖像，這種生物四肢修長，在水面上如履平地?？蒲腥藛T通過對它們的身體構(gòu)造以及運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)它們的四肢分布著大量的微觀結(jié)構(gòu)。圖2b顯示了利用掃描電子顯微鏡觀察到的水黽腿部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)特征。它的腿部上面生長了大量的剛毛，剛毛尺寸極小并且剛毛之間的距離也非常小。這在一定程度上隔絕了水黽腿部與水的直接接觸，可以阻止水對水黽身體的浸潤，使得水黽腿部具有超疏水能力，從而實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)動(dòng)。圖2c展示了固定水黽腿后，用水滴與水黽腿進(jìn)行接觸時(shí)水滴不會(huì)粘在水黽腿上，這為微型機(jī)器人的發(fā)展提供了參考。

圖2. 水黽的超疏水特性

沈陽自動(dòng)化研究所微納米課題組的科研人員從自然界中的水黽獲得靈感，開展了超疏水材料的制備及機(jī)器人多場聯(lián)合驅(qū)動(dòng)研究。圖3a-e展示了利用PDMS、石墨烯制備復(fù)合材料的過程。該材料具有光響應(yīng)及超疏水特性（圖3g），同時(shí)也具有良好的加工性能，可以根據(jù)任務(wù)需求加工成不同的結(jié)構(gòu)形狀，如圖3f所示。

圖3. 超疏水材料的設(shè)計(jì)與制備

課題組利用該復(fù)合材料加工出了仿水黽微型機(jī)器人，并結(jié)合紅外光與磁場開展了機(jī)器人多場聯(lián)合驅(qū)動(dòng)研究。在紅外光驅(qū)動(dòng)下，仿水黽機(jī)器人可在水面往復(fù)運(yùn)動(dòng)及靈活轉(zhuǎn)向（圖4a-c）。在磁場驅(qū)動(dòng)下，仿水黽機(jī)器人可在水面快速游動(dòng)及180度翻滾跳躍（圖4d-e）。該研究實(shí)現(xiàn)了新材料制備與多場驅(qū)動(dòng)技術(shù)的融合，為仿昆蟲機(jī)器人的研究以及功能化應(yīng)用提供了新的思路。隨著新功能性材料及微型機(jī)器人新技術(shù)的發(fā)展，將有更多結(jié)構(gòu)新穎、功能獨(dú)特的微型機(jī)器人被研制出來，成為科研人員的得力助手，揭示微觀世界中的新現(xiàn)象和新機(jī)理，造福人類。

該研究在微型機(jī)器人聯(lián)合驅(qū)動(dòng)、微流控輸運(yùn)、環(huán)境監(jiān)測治理等方面具有重要作用，研究成果發(fā)表在Chemical Engineering Journal上。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院國際合作重點(diǎn)項(xiàng)目和交叉創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目的支持。

圖4. 紅外激光和磁場聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的仿水黽微型機(jī)器人在水面游動(dòng)、跳躍及翻滾

來源：中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所