學習自然：紅外光與磁場聯合驅動的仿水黽微型機器人

自然界中許多昆蟲都具有獨特的材料特性及優異的運動效能，如昆蟲體表往往具有超疏水特性，能快速在水面運動、跳躍；具有輕薄的摺疊翼、靈敏的複眼；能爬行、能鑽土、能游泳、能飛翔等。如何模仿昆蟲研製出功能新穎、多樣的微型機器人，揭示微觀尺度下新的現象和規律並服務於人類，是科研人員面對和思考的問題。

日前，中國科學院瀋陽自動化研究所微奈米課題組在微型機器人領域取得新進展，所研究的仿水黽微型機器人可在紅外光與磁場的聯合驅動下實現可程式設計多模態運動，如圖1所示。

圖1. 基於超疏水特性的仿水黽微型機器人

夏天在公園的湖面上漂浮著很多類似於蚊子的小蟲，學名為水黽。這種生物雖然個頭小，但是本領卻很大。作為自然界中一種獨特的生物，水黽可以漂浮在水面上並實現滑行、跳躍，它們利用這種本領可以捕獲掉落在水中的獵物，是高超的狩獵者。

圖2a顯示了水黽在水面上的光學影象，這種生物四肢修長，在水面上如履平地。科研人員透過對它們的身體構造以及運動形態進行研究，發現它們的四肢分佈著大量的微觀結構。圖2b顯示了利用掃描電子顯微鏡觀察到的水黽腿部結構細節特徵。它的腿部上面生長了大量的剛毛，剛毛尺寸極小並且剛毛之間的距離也非常小。這在一定程度上隔絕了水黽腿部與水的直接接觸，可以阻止水對水黽身體的浸潤，使得水黽腿部具有超疏水能力，從而實現高效運動。圖2c展示了固定水黽腿後，用水滴與水黽腿進行接觸時水滴不會粘在水黽腿上，這為微型機器人的發展提供了參考。

圖2. 水黽的超疏水特性

瀋陽自動化研究所微奈米課題組的科研人員從自然界中的水黽獲得靈感，開展了超疏水材料的製備及機器人多場聯合驅動研究。圖3a-e展示了利用PDMS、石墨烯製備複合材料的過程。該材料具有光響應及超疏水特性（圖3g），同時也具有良好的加工效能，可以根據任務需求加工成不同的結構形狀，如圖3f所示。

圖3. 超疏水材料的設計與製備

課題組利用該複合材料加工出了仿水黽微型機器人，並結合紅外光與磁場開展了機器人多場聯合驅動研究。在紅外光碟機動下，仿水黽機器人可在水面往復運動及靈活轉向（圖4a-c）。在磁場驅動下，仿水黽機器人可在水面快速遊動及180度翻滾跳躍（圖4d-e）。該研究實現了新材料製備與多場驅動技術的融合，為仿昆蟲機器人的研究以及功能化應用提供了新的思路。隨著新功能性材料及微型機器人新技術的發展，將有更多結構新穎、功能獨特的微型機器人被研製出來，成為科研人員的得力助手，揭示微觀世界中的新現象和新機理，造福人類。

該研究在微型機器人聯合驅動、微流控輸運、環境監測治理等方面具有重要作用，研究成果發表在Chemical Engineering Journal上。該研究得到了國家自然科學基金、科技部重點研發計劃、中國科學院國際合作重點專案和交叉創新團隊等專案的支援。

圖4. 紅外鐳射和磁場聯合驅動的仿水黽微型機器人在水面遊動、跳躍及翻滾

來源：中國科學院瀋陽自動化研究所