水黽是池塘上時(shí)常能看到有著細(xì)長腿的黑褐色蟲子，它可以在水面自由移動(dòng)、抓捕獵物。受其啟發(fā)，加州大學(xué)河濱分校殷亞東教授課題組開發(fā)了一種仿生浮游機(jī)器人。

　　“其運(yùn)動(dòng)性能在類似的軟體游泳機(jī)器人中更勝一籌，可與一些自然生物相媲美，有望在水面污染物處理、水面或水體內(nèi)物質(zhì)傳輸與傳播等方面得到廣泛應(yīng)用�！币髞問|接受澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者采訪時(shí)表示。

　　據(jù)介紹，仿生浮游機(jī)器人的動(dòng)力來自于研究組研發(fā)的光驅(qū)動(dòng)軟體蒸汽機(jī)(light-powered soft steam engine)和振蕩器，這正是此項(xiàng)研究的最大突破。

　　“我們提出的工作機(jī)制和材料代表了設(shè)計(jì)軟體振蕩器的新方法，可以方便地控制振蕩動(dòng)力學(xué)和模式。因此我們相信它將為開發(fā)自適應(yīng)機(jī)器人和太陽能軟引擎提供新的機(jī)會(huì)�！币髞問|表示。

　　相關(guān)論文于當(dāng)?shù)貢r(shí)間12月1日發(fā)表在知名學(xué)術(shù)期刊《Science Robotics》上，論文標(biāo)題為“Light-powered soft steam engines for self-adaptive oscillation and biomimetic swimming”。

　　從自然界的振動(dòng)到設(shè)計(jì)振蕩器

　　化學(xué)鍵的振動(dòng)、細(xì)胞框架的振動(dòng)、蜂鳥翅膀的振動(dòng)、哺乳動(dòng)物的心跳等都是自然界的振動(dòng)。這些機(jī)械振動(dòng)有一個(gè)顯著特征：在非周期性刺激下的持續(xù)的周期性運(yùn)動(dòng)。

　　“在像細(xì)菌這樣的微生物中，振動(dòng)決定了許多基本的生物過程、特性和功能。另外，蛋白質(zhì)定位的空間振動(dòng)決定了細(xì)胞分裂的位置和DNA的定位。這些自然振動(dòng)的另一個(gè)特點(diǎn)是它們可根據(jù)環(huán)境變化調(diào)整頻率，如哺乳動(dòng)物的心跳決定于竇房結(jié)周圍血氧含量和恒定幅度動(dòng)作電位�！币髞問|表示，“這些特性使生物通過主動(dòng)調(diào)整振動(dòng)力學(xué)和身體功能來適應(yīng)不斷變化的環(huán)境。”

　　振動(dòng)對(duì)于生物生存有重要作用，而模仿這些振動(dòng)系統(tǒng)為自適應(yīng)機(jī)器人和能量收集設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了啟發(fā)。特別是，如果軟體振蕩器能夠在非周期性刺激下進(jìn)行規(guī)律性振蕩，并對(duì)環(huán)境變化做出響應(yīng)，這有望實(shí)現(xiàn)類似生物的功能。

　　如今，振動(dòng)相關(guān)的研究已經(jīng)有了不少，并且激發(fā)了不少仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)。然而，由于缺乏在恒定能量輸入下產(chǎn)生振動(dòng)的有效機(jī)制，制造軟體機(jī)器人并使其擁有主動(dòng)調(diào)整振動(dòng)模式的能力仍然具有非常大的挑戰(zhàn)。

　　為此，此項(xiàng)研究者開發(fā)了一種具有自適應(yīng)振蕩模式的光動(dòng)力軟振蕩器，以響應(yīng)不同強(qiáng)度的光照射。

　　據(jù)介紹，這種振蕩器有三層結(jié)構(gòu)，中間有水凝膠層包含等離子體納米棒，可將光轉(zhuǎn)化為熱量并蒸發(fā)水分子以產(chǎn)生持續(xù)的蒸汽。通過控制光強(qiáng)度，產(chǎn)生的蒸汽氣泡對(duì)振蕩器的機(jī)械平衡產(chǎn)生可控的擾動(dòng)，從而導(dǎo)致自適應(yīng)的連續(xù)或脈沖振動(dòng)。在持續(xù)光照下，它可以根據(jù)外界的光強(qiáng)度執(zhí)行連續(xù)機(jī)械振動(dòng)或者脈沖阻尼諧波振動(dòng)。即，使用蒸汽作為工作流體將光能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，因此其工作原理類似于傳統(tǒng)的熱蒸汽機(jī)。

　　“這是一種新型的可以在光照下實(shí)現(xiàn)持續(xù)振動(dòng)的方法，它突破了原有的軟體振蕩器不能適應(yīng)外界環(huán)境變化的局限，使得制備自適應(yīng)的軟體驅(qū)動(dòng)器和下一代智能仿生軟體機(jī)器人成為可能�！币髞問|表示。

　　不受導(dǎo)線束縛的仿生浮游機(jī)器人

　　基于光驅(qū)動(dòng)軟體蒸汽機(jī)，研究組開發(fā)了一種仿生浮游機(jī)器人，它不受導(dǎo)線束縛，可持續(xù)地以水為“燃料”，由光遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)在水面運(yùn)動(dòng)。

　　據(jù)殷亞東介紹，該機(jī)器人受水黽啟發(fā)而設(shè)計(jì)。水黽是生活在水面上的一種昆蟲，它有細(xì)長的腿，這使其身體重量能夠均勻分布在較大的水面上。其腿部每平方毫米有數(shù)千根毛發(fā)，形成一種超疏水的結(jié)構(gòu)，使其能夠在高表面張力的水面上漂浮。

　　水黽在水面運(yùn)動(dòng)也很獨(dú)特——脈沖式、間斷的，這使其能在水面上高效自由移動(dòng)和抓捕獵物。

　　“受水黽這種有趣的運(yùn)動(dòng)方式的啟發(fā)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種可以以類似的獨(dú)特運(yùn)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)浮游的軟體機(jī)器人，其具有彎曲的形狀，兩端可以與水面直接接觸，水則可以通過中間的水凝膠層連續(xù)傳遞到機(jī)器人身體中作為‘燃料’。”殷亞東表示。

　　由于該機(jī)器人底部的疏水性，它能輕松在水面上漂浮。而機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)則由光驅(qū)動(dòng)：光的照射產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致水蒸發(fā)，蒸汽泡的持續(xù)產(chǎn)生和破裂被利用來提供能量以驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的周期性運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向。

　　“我們的研究結(jié)果表明，仿生浮游機(jī)器人在水面上的運(yùn)動(dòng)模式和速率可以通過調(diào)節(jié)光的功率來控制。”殷亞東表示，在高功率光照下，該機(jī)器人進(jìn)行連續(xù)、勻速的游泳。而在低功率光照下，其運(yùn)動(dòng)方式類似于水黽——脈沖式、有間斷，有周期性的加速減速過程。

　　因此，這種仿生浮游機(jī)器人可以感知施加的光的強(qiáng)度變化，從而主動(dòng)調(diào)節(jié)自身的機(jī)械振動(dòng)模式和運(yùn)動(dòng)方式。據(jù)介紹，該機(jī)器人具有水處理、消毒和水路運(yùn)輸?shù)臐撛趹?yīng)用。

　　下一步，提高能量轉(zhuǎn)化效率，探索實(shí)際應(yīng)用

　　“我們的研究主要是展示一種新的設(shè)計(jì)軟振蕩器的概念以及其作為動(dòng)力源在驅(qū)動(dòng)仿浮游生物的機(jī)器人中的應(yīng)用。這個(gè)振蕩器是由光提供原始能量去驅(qū)動(dòng)蒸汽的產(chǎn)生，進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)，整個(gè)過程的能量轉(zhuǎn)換效率并未進(jìn)行優(yōu)化，而這是實(shí)際應(yīng)用中必須要回答的問題。”殷亞東表示。

　　“根據(jù)我們以前的研究，等離子基元納米棒具有較高的光熱轉(zhuǎn)換效率，且轉(zhuǎn)換效率可以通過控制納米棒的結(jié)構(gòu)來優(yōu)化，這個(gè)會(huì)在下一步的工作中進(jìn)行系統(tǒng)研究�！�

　　他表示，他們也會(huì)進(jìn)一步探索這種機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用，諸如設(shè)計(jì)太陽能驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人。

　　“在優(yōu)化材料的光熱轉(zhuǎn)換之后，我們期待這種機(jī)器人可以由太陽光驅(qū)動(dòng)，通過預(yù)先設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向來實(shí)現(xiàn)特定的功能，并可以靈敏地感知周圍環(huán)境變化而改變其行為和調(diào)節(jié)其功能�！�