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(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(nèi)物質(zhì)傳輸與傳播等方面得到廣泛應(yīng)用?！币髞問|接受澎湃新聞記者采訪時表示。
據(jù)介紹，仿生浮游機器人的動力來自于研究組研發(fā)的光驅(qū)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(shè)計軟體振蕩器的新方法，可以方便地控制振蕩動力學(xué)和模式。因此我們相信它將為開發(fā)自適應(yīng)機器人和太陽能軟引擎提供新的機會?！币髞問|表示。
相關(guān)論文于當?shù)貢r間12月1日發(fā)表在知名學(xué)術(shù)期刊《Science Robotics》上，論文標題為“Light-powered soft steam engines for self-adaptive oscillation and biomimetic swimming”。
視頻來源于加州大學(xué)河濱分校(00:25)
從自然界的振動到設(shè)計振蕩器
化學(xué)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(xù)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(zhì)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(jù)環(huán)境變化調(diào)整頻率，如哺乳動物的心跳決定于竇房結(jié)周圍血氧含量和恒定幅度動作電位?！币髞問|表示，“這些特性使生物通過主動調(diào)整振動力學(xué)和身體功能來適應(yīng)不斷變化的環(huán)境?！?/p>
振動對于生物生存有重要作用，而模仿這些振動系統(tǒng)為自適應(yīng)機器人和能量收集設(shè)備的設(shè)計提供了啟發(fā)。特別是，如果軟體振蕩器能夠在非周期性刺激下進行規(guī)律性振蕩，并對環(huán)境變化做出響應(yīng)，這有望實現(xiàn)類似生物的功能。
如今，振動相關(guān)的研究已經(jīng)有了不少，并且激發(fā)了不少仿生機器人的設(shè)計。然而，由于缺乏在恒定能量輸入下產(chǎn)生振動的有效機制，制造軟體機器人并使其擁有主動調(diào)整振動模式的能力仍然具有非常大的挑戰(zhàn)。
為此，此項研究者開發(fā)了一種具有自適應(yīng)振蕩模式的光動力軟振蕩器，以響應(yīng)不同強度的光照射。
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。通過控制光強度，產(chǎn)生的蒸汽氣泡對振蕩器的機械平衡產(chǎn)生可控的擾動，從而導(dǎo)致自適應(yīng)的連續(xù)或脈沖振動。在持續(xù)光照下，它可以根據(jù)外界的光強度執(zhí)行連續(xù)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(zhuǎn)換成機械能，因此其工作原理類似于傳統(tǒng)的熱蒸汽機。
“這是一種新型的可以在光照下實現(xiàn)持續(xù)振動的方法，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)動器和下一代智能仿生軟體機器人成為可能?！币髞問|表示。
不受導(dǎo)線束縛的仿生浮游機器人
基于光驅(qū)動軟體蒸汽機，研究組開發(fā)了一種仿生浮游機器人，它不受導(dǎo)線束縛，可持續(xù)地以水為“燃料”，由光遠程驅(qū)動在水面運動。
據(jù)殷亞東介紹，該機器人受水黽啟發(fā)而設(shè)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(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(fā)，我們設(shè)計了一種可以以類似的獨特運動方式實現(xiàn)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(xù)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(qū)動：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)動機器人的周期性運動和轉(zhuǎn)向。
“我們的研究結(jié)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(diào)節(jié)光的功率來控制?！币髞問|表示，在高功率光照下，該機器人進行連續(xù)、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(diào)節(jié)自身的機械振動模式和運動方式。據(jù)介紹，該機器人具有水處理、消毒和水路運輸?shù)臐撛趹?yīng)用。
下一步，提高能量轉(zhuǎn)化效率，探索實際應(yīng)用
“我們的研究主要是展示一種新的設(shè)計軟振蕩器的概念以及其作為動力源在驅(qū)動仿浮游生物的機器人中的應(yīng)用。這個振蕩器是由光提供原始能量去驅(qū)動蒸汽的產(chǎn)生，進而產(chǎn)生振動，整個過程的能量轉(zhuǎn)換效率并未進行優(yōu)化，而這是實際應(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，這個會在下一步的工作中進行系統(tǒng)研究?！?/p>
他表示，他們也會進一步探索這種機器人的實際應(yīng)用，諸如設(shè)計太陽能驅(qū)動的軟體機器人。
“在優(yōu)化材料的光熱轉(zhuǎn)換之后，我們期待這種機器人可以由太陽光驅(qū)動，通過預(yù)先設(shè)計的運動和轉(zhuǎn)向來實現(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?！?/p>
（文章來源：澎湃新聞）
