仿生奇跡：機(jī)器人也能“水上漂”，模仿水黽

在平靜的池塘或湖面上，你經(jīng)常能看到一種輕盈的昆蟲——水黽，它們擁有在水面上滑行和跳躍的獨(dú)特能力，仿佛能夠違反物理定律。這種令人驚嘆的自然現(xiàn)象，長久以來一直是工程師和科學(xué)家的靈感來源?，F(xiàn)在，來自弗吉尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)，成功地從這種昆蟲身上獲得了啟發(fā)，開發(fā)出一種全新的制造技術(shù)，可以直接在水面上構(gòu)建軟體機(jī)器人，并讓它們像真正的“水蜘蛛”一樣，輕松地在水面上行走。

這項(xiàng)被稱為 HydroSpread 的新型制造技術(shù)，徹底顛覆了傳統(tǒng)的軟體機(jī)器人制造流程。過去，為了制造柔韌、超薄的機(jī)器人薄膜，研究人員必須先在堅(jiān)硬的表面（如玻璃）上進(jìn)行構(gòu)建，然后再小心翼翼地將脆弱的薄膜轉(zhuǎn)移到水面上。這個(gè)過程不僅繁瑣，而且極易導(dǎo)致材料撕裂和損壞。而弗吉尼亞大學(xué)機(jī)械與航空航天工程教授鮑星旭（Baoxing Xu）的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)巧妙的解決方案：為什么不直接利用液體本身作為“工作臺(tái)”呢？

他們的創(chuàng)新之處在于，將液態(tài)聚合物滴到水面上，聚合物會(huì)自然地?cái)U(kuò)散成均勻、超薄的薄片。然后，研究人員使用精細(xì)調(diào)諧的激光，可以直接在水面上的薄膜上精確地切割出復(fù)雜的形狀和圖案，包括像大學(xué)校徽這樣復(fù)雜的細(xì)節(jié)。這種方法的好處是顯而易見的：水面天然提供了一個(gè)絕對平滑的平臺(tái)，消除了傳統(tǒng)剛性制造表面帶來的應(yīng)力或缺陷，從而極大地提高了制造精度和薄膜的完整性。

利用這項(xiàng)“水上制造”技術(shù)，團(tuán)隊(duì)成功設(shè)計(jì)并制造出了兩種仿生原型機(jī)。其中一種被稱為 HydroBuckler，它正是受到水黽的啟發(fā)。這款機(jī)器人擁有仿生設(shè)計(jì)的“腿”，其移動(dòng)機(jī)制是基于腿部的屈曲。研究人員通過頭頂?shù)募t外加熱器為這些裝置提供動(dòng)力，當(dāng)薄膜被加熱時(shí)，其分層結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生彎曲或屈曲，從而產(chǎn)生向前劃水或行走的動(dòng)作。通過控制加熱器的開關(guān)，這些裝置就能控制速度，甚至進(jìn)行轉(zhuǎn)向，證明了它們能夠?qū)崿F(xiàn)可控、重復(fù)的運(yùn)動(dòng)。

這種全新的制造方法和仿生設(shè)計(jì)，為軟體機(jī)器人的未來開啟了廣闊的空間。由于它們超薄、超柔、超輕，且能直接利用水面的張力或其獨(dú)特的移動(dòng)方式，這些“水蜘蛛”未來可以被應(yīng)用于各種危險(xiǎn)或難以到達(dá)的環(huán)境。例如，它們可以部署在受污染的河流或洪災(zāi)區(qū)域，進(jìn)行水質(zhì)樣本采集或?yàn)?zāi)后偵察。此外，這種在液面上直接構(gòu)建精細(xì)薄膜的技術(shù)，也為柔性電子產(chǎn)品、可穿戴醫(yī)療傳感器以及其他需要超薄、柔韌且耐用材料的應(yīng)用，提供了全新的可能性?？梢哉f，這項(xiàng)技術(shù)不僅讓機(jī)器人學(xué)會(huì)了“水上行走”，也為未來更小、更智能、更適應(yīng)環(huán)境的設(shè)備，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考資料：DOI：10.1126/sciadv.ady9840