水黾(Neusbot)是水面上常能见到的一种黑褐色昆虫，它身体小巧，仅两三厘米长，十分轻盈，能在水面上自由移动。 细长的腿上每平方毫米有数千根毛发，形成了一种超疏水的结构，使其能够在高表面张力的水面上漂浮。
加州大学河滨分校殷亚东教授、圣母大学NosangVincent Myung等受此启发开发了一款能够像水黾一样运动的仿生浮游机器人，它可以持续地以水为燃料，通过光驱动在水面上自由运动。沸水产生的蒸汽启迪了早期的科学家和发明家们，并直接催生了蒸汽时代的来临，为轰鸣的火车运动提供源源不断的动力。
殷亚东教授带领的研究团队使用蒸汽作为工作流体，以光热蒸汽驱动的振荡器为基础（类似于经典的蒸汽机），制备了以疏水性聚合物薄膜作为主要支撑的柔性“蒸汽船”，详细研究了与振荡器振动机制有关的影响因素，使其能够响应外界光强实现自适应性运动，突破了原有的柔性振荡器不能适应外界环境变化的局限。研究内容以Light-poweredsoft steam engines for self-adaptive oscillation and biomimetic swimming为题发表在《Science Robotics》上。
【蒸汽船的结构与运行机制】
图. 蒸汽驱动的光热振荡器:（A）振荡器的三层结构示意图,（B）光热蒸汽驱动工作机制，( C )弯曲和 ( D ) 振荡的光热振荡器( E ) 振荡期间的弯曲角度随时间( F )和FFT频率的对应关系。
如上图A所示蒸汽船具有多层结构，由聚酰亚胺(PI)、含光热制动器的聚丙烯酰胺水凝胶(PMA)和聚硅氧烷(PDMS)构成。选择杂化Fe3O4/Cu纳米棒作为光热转换器，它具有更低的成本及与金纳米棒相当的等离子体活性，用于将光转化为热量以蒸发周围的水。由于PDMS 的热膨胀系数高于 PI，受热时薄膜会弯曲。随着温度升高到最大值，薄膜达到平衡状态。在连续光照射下，局部高温使周围的水汽化，在PDMS 和水凝胶层之间产生蒸汽气泡，使三层致动器稍微恢复到一个中间状态。当气泡膨胀到薄膜边缘时，蒸汽释放，致使小船快速恢复到其平衡状态。整个过程如上图B所示，连续产生并不断释放的蒸汽使小船能够进行持续的机械振荡。
【控制蒸汽船的运动】
只需改变薄膜长度就可以调整蒸汽船的振荡频率。将薄膜从 45 毫米缩短至 15 毫米，频率就会从 10 赫兹增加到 32 赫兹。薄膜厚度与致动器的刚度高度相关，决定了致动松弛率、平衡弯曲角和光热振荡频率。平衡弯曲角与薄膜厚度成反比，最薄的薄膜（0.4 毫米）表现出最大的平衡弯曲角 52°，随着薄膜厚度增加到 1.2 毫米，该角逐渐减小。不同厚度三层薄膜都会产生周期性的振荡，但在相同的光照射下具有不同的振荡特性。水凝胶层的交联比通过决定蒸汽产生的效率，在控制振荡频率方面也起着至关重要的作用，这可以通过在光聚合过程中调节交联剂N , N '-亚甲基双丙烯酰胺的量来实现。高度交联的水凝胶具有致密的聚合物支架，因此在完全水合状态下有很大比例的强键合水，这可能会提高蒸发焓和温度，低交联度会导致水分蒸发快，从而导致高频振荡。此外，在光照射期间通过连续供水可以实现长期振荡。由蒸汽驱动的小船一个显著的优势是不受入射光方向性的限制，因此在散射光下也可以工作。光强对蒸汽的产生和薄膜振荡也有很大的影响，将光强度从1.4 W/cm 2降低到0.2 W/cm 2，两个振荡脉冲之间的周期从0.31s 延长到 8.33 s，低光强时水凝胶层的温度小幅升高，蒸汽产生缓慢并形成周期性气泡，当蒸汽泡到达薄膜边缘并释放到周围环境中，引发单脉冲振荡。
图. 通过控制薄膜几何形状来调整振荡频率。( A ) 不同长度薄膜的振荡幅度。( B ) 不同长度的薄膜振荡的 FFT。( C ) 振荡频率对薄膜长度的依赖性。( D ) 三层振荡器的最大弯曲和松弛速度对薄膜厚度的依赖性。( E ) 作为薄膜厚度函数的振荡频率。
【仿生自适应浮游机器人】
图. 仿生光热水黾:（A）弯曲的三层膜和（B）浮游机器人在水-空气界面的照片（C）浮游机器人行驶示意图( D ) 路程( E ) 实时位置和( F )速度 ( G ) 自然生物和仿生浮游机器人的游泳能力对比。
基于对这种光驱动的“软萌蒸汽船”工作机制的细致研究，研究人员进一步设计了一种仿生自适应的浮游机器人，通过准确调节浮游机器人的各项参数，使其能够模仿水黾独特的游泳行为。机器人表面的PI膜和PDMS层都是疏水的，所以可以漂浮在水面上。但是为了让它能够平稳地运动，还需要连续供水来补偿产生蒸汽消耗的用水量。将PDMS拉伸至原始长度的20%使其弯曲（曲率120°），弯曲致动器的两端就可以与水紧密接触，水则可以通过中间的水凝胶层连续传递到机器人身体中作为“燃料”，照射弯曲致动器的一端会引发该侧的光热振荡，进而推动浮游机器人向前，如下图所示。通过调节光强，可以让机器人实现脉冲式或连续式游泳，通过激光照射特定部位，还能使仿生机器人转向。
【结论】
研究人员通过组合含光热制动器的三层薄膜，制备了光热蒸汽驱动的“小船”。光照射时产生的局部蒸汽诱使小船产生规律的振动。光强、PDMS厚度、水凝胶交联度及薄膜尺寸和热膨胀系数的差异等因素都会影响蒸汽船的运动。研究人员进一步设计“蒸汽船”的结构，制作了仿生浮游机器人，能够响应外界光照在水面上运动。水凝胶基质源源不断地为机器人输送能量（蒸汽），使其能够连续高频振动，从而长时间保持游泳状态。该仿生机器人只需要水就能工作，有望通过进一步的结构设计实现水处理（如石油泄漏）及水路运输等方面的应用。
来源：高分子科学前沿
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