學者開發仿生浮游機器人，有望在水面處理污染物

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

“其運動性能在類似的軟體游泳機器人中更勝一籌，可與一些自然生物相媲美，有望在水面污染物處理、水面或水體內物質傳輸與傳播等方面得到廣泛應用。”殷亞東接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）記者采訪時表示。

據介紹，仿生浮游機器人的動力來自于研究組研發的光驅動軟體蒸汽機（light-powered soft steam engine）和振蕩器，這正是此項研究的最大突破。

“我們提出的工作機制和材料代表了設計軟體振蕩器的新方法，可以方便地控制振蕩動力學和模式。因此我們相信它將為開發自適應機器人和太陽能軟引擎提供新的機會。”殷亞東表示。

相關論文于當地時間12月1日發表在知名學術期刊《Science Robotics》上，論文標題為“Light-powered soft steam engines for self-adaptive oscillation and biomimetic swimming”。

從自然界的振動到設計振蕩器

化學鍵的振動、細胞框架的振動、蜂鳥翅膀的振動、哺乳動物的心跳等都是自然界的振動。這些機械振動有一個顯著特征：在非周期性刺激下的持續的周期性運動。

“在像細菌這樣的微生物中，振動決定了許多基本的生物過程、特性和功能。另外，蛋白質定位的空間振動決定了細胞分裂的位置和DNA的定位。這些自然振動的另一個特點是它們可根據環境變化調整頻率，如哺乳動物的心跳決定于竇房結周圍血氧含量和恒定幅度動作電位。”殷亞東表示，“這些特性使生物通過主動調整振動力學和身體功能來適應不斷變化的環境。”

振動對于生物生存有重要作用，而模仿這些振動系統為自適應機器人和能量收集設備的設計提供了啟發。特別是，如果軟體振蕩器能夠在非周期性刺激下進行規律性振蕩，并對環境變化做出響應，這有望實現類似生物的功能。

如今，振動相關的研究已經有了不少，并且激發了不少仿生機器人的設計。然而，由于缺乏在恒定能量輸入下產生振動的有效機制，制造軟體機器人并使其擁有主動調整振動模式的能力仍然具有非常大的挑戰。

為此，此項研究者開發了一種具有自適應振蕩模式的光動力軟振蕩器，以響應不同強度的光照射。

據介紹，這種振蕩器有三層結構，中間有水凝膠層包含等離子體納米棒，可將光轉化為熱量并蒸發水分子以產生持續的蒸汽。通過控制光強度，產生的蒸汽氣泡對振蕩器的機械平衡產生可控的擾動，從而導致自適應的連續或脈沖振動。在持續光照下，它可以根據外界的光強度執行連續機械振動或者脈沖阻尼諧波振動。即，使用蒸汽作為工作流體將光能轉換成機械能，因此其工作原理類似于傳統的熱蒸汽機。

“這是一種新型的可以在光照下實現持續振動的方法，它突破了原有的軟體振蕩器不能適應外界環境變化的局限，使得制備自適應的軟體驅動器和下一代智能仿生軟體機器人成為可能。”殷亞東表示。

不受導線束縛的仿生浮游機器人

基于光驅動軟體蒸汽機，研究組開發了一種仿生浮游機器人，它不受導線束縛，可持續地以水為“燃料”，由光遠程驅動在水面運動。

據殷亞東介紹，該機器人受水黽啟發而設計。水黽是生活在水面上的一種昆蟲，它有細長的腿，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千根毛發，形成一種超疏水的結構，使其能夠在高表面張力的水面上漂浮。

水黽在水面運動也很獨特——脈沖式、間斷的，這使其能在水面上高效自由移動和抓捕獵物。

“受水黽這種有趣的運動方式的啟發，我們設計了一種可以以類似的獨特運動方式實現浮游的軟體機器人，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傳遞到機器人身體中作為‘燃料’。”殷亞東表示。

由于該機器人底部的疏水性，它能輕松在水面上漂浮。而機器人的運動則由光驅動：光的照射產生高溫，導致水蒸發，蒸汽泡的持續產生和破裂被利用來提供能量以驅動機器人的周期性運動和轉向。

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

因此，這種仿生浮游機器人可以感知施加的光的強度變化，從而主動調節自身的機械振動模式和運動方式。據介紹，該機器人具有水處理、消毒和水路運輸的潛在應用。

下一步，提高能量轉化效率，探索實際應用

“我們的研究主要是展示一種新的設計軟振蕩器的概念以及其作為動力源在驅動仿浮游生物的機器人中的應用。這個振蕩器是由光提供原始能量去驅動蒸汽的產生，進而產生振動，整個過程的能量轉換效率并未進行優化，而這是實際應用中必須要回答的問題。”殷亞東表示。

“根據我們以前的研究，等離子基元納米棒具有較高的光熱轉換效率，且轉換效率可以通過控制納米棒的結構來優化，這個會在下一步的工作中進行系統研究。”

他表示，他們也會進一步探索這種機器人的實際應用，諸如設計太陽能驅動的軟體機器人。