水面跳跃新机制！香港中文大学张立团队《自然·通讯》：水面跳跃软体机器人新高度

半水生昆虫（例如水黾，弹尾虫等）的水面跳跃运动主要依靠表面张力主导的跳跃机制来实现。通过对自然界中水面跳跃生物模型的建立和仿生学的发展，科学家们已经开发了各种基于表面张力主导的跳跃机制的水面跳跃微型机器人。然而，这种机制存在一个固有的物理限制：即驱动器释放的推进力必须保持在打破水面所需的阈值（表面张力）之下以保持水面完整，因为水面破裂会导致机器人无法脱离水面或者跳跃性能降低。这个物理限制的存在导致目前的水面跳跃机器人的跳跃性能远低于自然界中的水面跳跃生物。针对这些挑战，香港中文大学张立团队在前期光驱动水凝胶弹射器研究的基础上（Nature Materials，2024，23, 1428–1435），联合浙江大学、哈尔滨工业大学和澳门大学开发了一种新的水面跳跃机制允许水面被打破以增加驱动器的功率输出，突破了表面张力主导的跳跃机制的局限性，实现了具有破纪录的跳跃性能（跳跃高度：63 cm (18 体长)，起跳速度：3.52 米/秒（100.6 体长/秒）的水面跳跃微型软体机器人。该研究成果以“Beyond surface tension-dominated water surface jumping”为题发表在《Nature Communications》。

图 1. 水面跳跃微型机器人的关键设计原理

半水生节肢动物的水面跳跃运动依赖于表面张力主导的跳跃机制，其中涉及几个关键点：（1）表面张力利用：半水生节肢动物具有超疏水身体（例如水黾多毛的超疏水腿）和轻的自重，使它们能够利用水的表面张力保持在水面上而不下沉。(2)驱动结构：通过特殊的身体结构（如水黾细长的腿和弹尾虫的附肢）和快速的肌肉收缩，产生足够的推进力以克服表面张力脱离水面。（3）能量学和运动学：通过超快的能量释放、复杂的动量传递系统和对输出力的精细调节，使输出力保持在刚好低于突破水面所需阈值的水平，实现较高的动量传递效率。近年来，通过研究这些以表面张力为主导的跳跃机制的生物学行为，在设计昆虫级水面跳跃机器人方面取得了重大进展。它们具有疏水性机身，能够通过利用超疏水性材料和仿生结构设计实现水面跳跃行为。然而，这些工程机器人与半水生节肢动物相比，在跳跃高度和起飞速度方面仍然存在显著差距（数量级的差距）。这种差距源于以撞击水面获取动力来源的跳跃机理的固有的物理限制以及长的驱动时间带来的动量传递效率低下。因此，仍然有必要开发一种新的驱动和传动机制，以突破昆虫尺度水面跳跃机器人的性能极限，在跳跃高度和起飞速度等方面匹配甚至超越自然物种。

在本文中，作者通过借鉴基于表面张力主导的生物模型和进一步的发展，为昆虫级机器人开发了一种新的水面跳跃机制，突破了表面张力主导的水面跳跃机理的物理限制，并设计了一个软体机器人用于展示这种机制。该机器人通过结合与自然生物相似的三个关键设计原则，实现了与半水生节肢动物相当的跳跃性能：（1）超疏水身体：带有超疏水微柱阵列的PDMS身体确保了机器人跳跃前可以在水面上稳定漂浮，以及减少过度的流体动力学相互作用将起飞过程中的能量损失降至最低。（2）具有大的输出力与质量之比（F/m）的光驱动水凝胶驱动模块：能够在超短时间（0.6 ms）内提供足够的推进力（～5.5 N），从而使机器人能够在极短的时间窗口内完成动量获取。（3）开创性的使用软材料构建动量传递系统：采用软连接的分体式设计确保了高效的动量传递。这种方法使得机器人的动力来源来自于固体的相互作用（即驱动器撞击发射台时的反弹力）而非传统表面张力主导机理中的水面的反作用力，从而可以充分释放驱动器的功率输出以及允许水面被打破。（Supplementary movie 1）

图 2. 微型软体机器人的水面跳跃性能

通过这些设计原则赋予了昆虫尺度软体机器人的高性能水面跳跃能力。作者将制备的软机器人的性能与能够进行水面跳跃运动的自然界中的昆虫和其他机器人系统和进行了比较，结果表明，开发的微型软体机器人具有最快的起跳速度和最高的跳跃高度，分别为3.52 m/s（100.6 体长/秒）和63 cm（18 BL），这些性能可以和半水生节肢动物中具有最出色水面跳跃能力的侏儒蝼蛄相媲美。

图3. 水面跳跃软体机器人助力水下微型机器人突破气水界面进行回收。

软体机器人还可以通过非对称的结构设计实现定向跳跃运动，即将左右连接软肌腱设计成不同的长度，从而改变初速度的方向实现跳跃方向控制。此外，作者展示了水面跳跃机器人在微型水下机器人回收方面的应用潜力。微型机器人在水下等复杂环境中展现出广阔的应用前景。由于体积小、重量轻，微型水下机器人在无线远程控制导航和执行任务方面表现出优势。然而，回收这些微型机器人的主要挑战是在突破气水界面时，小尺度下的巨大阻力和表面张力。基于开发的水面跳跃机器人的高效能量转化和负载能力，作者开发了一种用于水下微型机器人回收的机器人系统。作为概念验证，作者展示了用于水下溶液混合的微型机器人的回收，这些水下微型机器人与水面跳跃机器人相连，实现相互锚定的功能，以避免偏离目标区域，它们首先分别在光或旋转磁场的控制下执行溶液混合任务，然后通过激活水面跳跃机器人实现回收。

总结来说，作者提出了一种超越表面张力主导机制的水面跳跃策略，该方法利用三个关键设计原则来突破当前跳跃机制的物理限制，包括用于漂浮在水面上的超疏水身体、可在超短时间内提供足够推进力的轻量级强力驱动模块，以获取较大的初始动量，以及用于高效动能传递的软动量传输系统。这种水面跳跃机制使所展示的软机器人在跳跃高度和起飞速度方面具有显著优势，超过了以前工程系统和几乎所有自然界中具有水面跳跃运动的昆虫的性能。

香港中文大学机械与自动化系博士生王鑫，博士后夏能与浙江大学机械工程学院潘程枫研究员为论文共同第一作者，浙江大学机械工程学院潘程枫研究员和香港中文大学机械与自动化系张立教授为论文共同通讯作者。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-58096-8

来源：高分子科学前沿

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