半水生昆蟲(chóng)（例如水黽，彈尾蟲(chóng)等）的水面跳躍運(yùn)動(dòng)主要依靠表面張力主導(dǎo)的跳躍機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)自然界中水面跳躍生物模型的建立和仿生學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種基于表面張力主導(dǎo)的跳躍機(jī)制的水面跳躍微型機(jī)器人。然而，這種機(jī)制存在一個(gè)固有的物理限制：即驅(qū)動(dòng)器釋放的推進(jìn)力必須保持在打破水面所需的閾值（表面張力）之下以保持水面完整，因?yàn)樗嫫屏褧?huì)導(dǎo)致機(jī)器人無(wú)法脫離水面或者跳躍性能降低。這個(gè)物理限制的存在導(dǎo)致目前的水面跳躍機(jī)器人的跳躍性能遠(yuǎn)低于自然界中的水面跳躍生物。針對(duì)這些挑戰(zhàn)，香港中文大學(xué)張立團(tuán)隊(duì)在前期光驅(qū)動(dòng)水凝膠彈射器研究的基礎(chǔ)上（Nature Materials，2024，23, 1428–1435），聯(lián)合浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和澳門(mén)大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種新的水面跳躍機(jī)制允許水面被打破以增加驅(qū)動(dòng)器的功率輸出，突破了表面張力主導(dǎo)的跳躍機(jī)制的局限性，實(shí)現(xiàn)了具有破紀(jì)錄的跳躍性能（跳躍高度：63 cm (18 體長(zhǎng))，起跳速度：3.52 米/秒（100.6 體長(zhǎng)/秒）的水面跳躍微型軟體機(jī)器人。該研究成果以“Beyond surface tension-dominated water surface jumping”為題發(fā)表在《Nature Communications》。文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58096-8。
圖 1. 水面跳躍微型機(jī)器人的關(guān)鍵設(shè)計(jì)原理
半水生節(jié)肢動(dòng)物的水面跳躍運(yùn)動(dòng)依賴于表面張力主導(dǎo)的跳躍機(jī)制，其中涉及幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：（1）表面張力利用：半水生節(jié)肢動(dòng)物具有超疏水身體（例如水黽多毛的超疏水腿）和輕的自重，使它們能夠利用水的表面張力保持在水面上而不下沉。(2)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)：通過(guò)特殊的身體結(jié)構(gòu)（如水黽細(xì)長(zhǎng)的腿和彈尾蟲(chóng)的附肢）和快速的肌肉收縮，產(chǎn)生足夠的推進(jìn)力以克服表面張力脫離水面。（3）能量學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)：通過(guò)超快的能量釋放、復(fù)雜的動(dòng)量傳遞系統(tǒng)和對(duì)輸出力的精細(xì)調(diào)節(jié)，使輸出力保持在剛好低于突破水面所需閾值的水平，實(shí)現(xiàn)較高的動(dòng)量傳遞效率。近年來(lái)，通過(guò)研究這些以表面張力為主導(dǎo)的跳躍機(jī)制的生物學(xué)行為，在設(shè)計(jì)昆蟲(chóng)級(jí)水面跳躍機(jī)器人方面取得了重大進(jìn)展。它們具有疏水性機(jī)身，能夠通過(guò)利用超疏水性材料和仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)水面跳躍行為。然而，這些工程機(jī)器人與半水生節(jié)肢動(dòng)物相比，在跳躍高度和起飛速度方面仍然存在顯著差距（數(shù)量級(jí)的差距）。這種差距源于以撞擊水面獲取動(dòng)力來(lái)源的跳躍機(jī)理的固有的物理限制以及長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)時(shí)間帶來(lái)的動(dòng)量傳遞效率低下。因此，仍然有必要開(kāi)發(fā)一種新的驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)機(jī)制，以突破昆蟲(chóng)尺度水面跳躍機(jī)器人的性能極限，在跳躍高度和起飛速度等方面匹配甚至超越自然物種。
在本文中，作者通過(guò)借鑒基于表面張力主導(dǎo)的生物模型和進(jìn)一步的發(fā)展，為昆蟲(chóng)級(jí)機(jī)器人開(kāi)發(fā)了一種新的水面跳躍機(jī)制，突破了表面張力主導(dǎo)的水面跳躍機(jī)理的物理限制，并設(shè)計(jì)了一個(gè)軟體機(jī)器人用于展示這種機(jī)制。該機(jī)器人通過(guò)結(jié)合與自然生物相似的三個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)原則，實(shí)現(xiàn)了與半水生節(jié)肢動(dòng)物相當(dāng)?shù)奶S性能：（1）超疏水身體：帶有超疏水微柱陣列的PDMS身體確保了機(jī)器人跳躍前可以在水面上穩(wěn)定漂浮，以及減少過(guò)度的流體動(dòng)力學(xué)相互作用將起飛過(guò)程中的能量損失降至最低。（2）具有大的輸出力與質(zhì)量之比（F/m）的光驅(qū)動(dòng)水凝膠驅(qū)動(dòng)模塊：能夠在超短時(shí)間（0.6 ms）內(nèi)提供足夠的推進(jìn)力（～5.5 N），從而使機(jī)器人能夠在極短的時(shí)間窗口內(nèi)完成動(dòng)量獲取。（3）開(kāi)創(chuàng)性的使用軟材料構(gòu)建動(dòng)量傳遞系統(tǒng)：采用軟連接的分體式設(shè)計(jì)確保了高效的動(dòng)量傳遞。這種方法使得機(jī)器人的動(dòng)力來(lái)源來(lái)自于固體的相互作用（即驅(qū)動(dòng)器撞擊發(fā)射臺(tái)時(shí)的反彈力）而非傳統(tǒng)表面張力主導(dǎo)機(jī)理中的水面的反作用力，從而可以充分釋放驅(qū)動(dòng)器的功率輸出以及允許水面被打破。（Supplementary movie 1）
圖 2. 微型軟體機(jī)器人的水面跳躍性能
通過(guò)這些設(shè)計(jì)原則賦予了昆蟲(chóng)尺度軟體機(jī)器人的高性能水面跳躍能力。作者將制備的軟機(jī)器人的性能與能夠進(jìn)行水面跳躍運(yùn)動(dòng)的自然界中的昆蟲(chóng)和其他機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，開(kāi)發(fā)的微型軟體機(jī)器人具有最快的起跳速度和最高的跳躍高度，分別為3.52 m/s（100.6 體長(zhǎng)/秒）和63 cm（18 BL），這些性能可以和半水生節(jié)肢動(dòng)物中具有最出色水面跳躍能力的侏儒螻蛄相媲美。
圖3. 水面跳躍軟體機(jī)器人助力水下微型機(jī)器人突破氣水界面進(jìn)行回收。
軟體機(jī)器人還可以通過(guò)非對(duì)稱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)定向跳躍運(yùn)動(dòng)，即將左右連接軟肌腱設(shè)計(jì)成不同的長(zhǎng)度，從而改變初速度的方向?qū)崿F(xiàn)跳躍方向控制。此外，作者展示了水面跳躍機(jī)器人在微型水下機(jī)器人回收方面的應(yīng)用潛力。微型機(jī)器人在水下等復(fù)雜環(huán)境中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。由于體積小、重量輕，微型水下機(jī)器人在無(wú)線遠(yuǎn)程控制導(dǎo)航和執(zhí)行任務(wù)方面表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。然而，回收這些微型機(jī)器人的主要挑戰(zhàn)是在突破氣水界面時(shí)，小尺度下的巨大阻力和表面張力。基于開(kāi)發(fā)的水面跳躍機(jī)器人的高效能量轉(zhuǎn)化和負(fù)載能力，作者開(kāi)發(fā)了一種用于水下微型機(jī)器人回收的機(jī)器人系統(tǒng)。作為概念驗(yàn)證，作者展示了用于水下溶液混合的微型機(jī)器人的回收，這些水下微型機(jī)器人與水面跳躍機(jī)器人相連，實(shí)現(xiàn)相互錨定的功能，以避免偏離目標(biāo)區(qū)域，它們首先分別在光或旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的控制下執(zhí)行溶液混合任務(wù)，然后通過(guò)激活水面跳躍機(jī)器人實(shí)現(xiàn)回收。
總結(jié)來(lái)說(shuō)，作者提出了一種超越表面張力主導(dǎo)機(jī)制的水面跳躍策略，該方法利用三個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)原則來(lái)突破當(dāng)前跳躍機(jī)制的物理限制，包括用于漂浮在水面上的超疏水身體、可在超短時(shí)間內(nèi)提供足夠推進(jìn)力的輕量級(jí)強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)模塊，以獲取較大的初始動(dòng)量，以及用于高效動(dòng)能傳遞的軟動(dòng)量傳輸系統(tǒng)。這種水面跳躍機(jī)制使所展示的軟機(jī)器人在跳躍高度和起飛速度方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，超過(guò)了以前工程系統(tǒng)和幾乎所有自然界中具有水面跳躍運(yùn)動(dòng)的昆蟲(chóng)的性能。
香港中文大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)化系博士生王鑫，博士后夏能與浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院潘程楓研究員為論文共同第一作者，浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院潘程楓研究員和香港中文大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)化系張立教授為論文共同通訊作者。
