学习自然：红外光与磁场联合驱动的仿水黾微型机器人

自然界中许多昆虫都具有独特的材料特性及优异的运动性能，如昆虫体表往往具有超疏水特性，能快速在水面运动、跳跃；具有轻薄的折叠翼、灵敏的复眼；能爬行、能钻土、能游泳、能飞翔等。如何模仿昆虫研制出功能新颖、多样的微型机器人，揭示微观尺度下新的现象和规律并服务于人类，是科研人员面对和思考的问题。

日前，中国科学院沈阳自动化研究所微纳米课题组在微型机器人领域取得新进展，所研究的仿水黾微型机器人可在红外光与磁场的联合驱动下实现可编程多模态运动，如图1所示。

图1. 基于超疏水特性的仿水黾微型机器人

夏天在公园的湖面上漂浮着很多类似于蚊子的小虫，学名为水黾。这种生物虽然个头小，但是本领却很大。作为自然界中一种独特的生物，水黾可以漂浮在水面上并实现滑行、跳跃，它们利用这种本领可以捕获掉落在水中的猎物，是高超的狩猎者。

图2a显示了水黾在水面上的光学图像，这种生物四肢修长，在水面上如履平地。科研人员通过对它们的身体构造以及运动形态进行研究，发现它们的四肢分布着大量的微观结构。图2b显示了利用扫描电子显微镜观察到的水黾腿部结构细节特征。它的腿部上面生长了大量的刚毛，刚毛尺寸极小并且刚毛之间的距离也非常小。这在一定程度上隔绝了水黾腿部与水的直接接触，可以阻止水对水黾身体的浸润，使得水黾腿部具有超疏水能力，从而实现高效运动。图2c展示了固定水黾腿后，用水滴与水黾腿进行接触时水滴不会粘在水黾腿上，这为微型机器人的发展提供了参考。

图2. 水黾的超疏水特性

沈阳自动化研究所微纳米课题组的科研人员从自然界中的水黾获得灵感，开展了超疏水材料的制备及机器人多场联合驱动研究。图3a-e展示了利用PDMS、石墨烯制备复合材料的过程。该材料具有光响应及超疏水特性（图3g），同时也具有良好的加工性能，可以根据任务需求加工成不同的结构形状，如图3f所示。

图3. 超疏水材料的设计与制备

课题组利用该复合材料加工出了仿水黾微型机器人，并结合红外光与磁场开展了机器人多场联合驱动研究。在红外光驱动下，仿水黾机器人可在水面往复运动及灵活转向（图4a-c）。在磁场驱动下，仿水黾机器人可在水面快速游动及180度翻滚跳跃（图4d-e）。该研究实现了新材料制备与多场驱动技术的融合，为仿昆虫机器人的研究以及功能化应用提供了新的思路。随着新功能性材料及微型机器人新技术的发展，将有更多结构新颖、功能独特的微型机器人被研制出来，成为科研人员的得力助手，揭示微观世界中的新现象和新机理，造福人类。

该研究在微型机器人联合驱动、微流控输运、环境监测治理等方面具有重要作用，研究成果发表在Chemical Engineering Journal上。该研究得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划、中国科学院国际合作重点项目和交叉创新团队等项目的支持。

图4. 红外激光和磁场联合驱动的仿水黾微型机器人在水面游动、跳跃及翻滚

来源：中国科学院沈阳自动化研究所