【原】著名華人科學(xué)家研發(fā)光驅(qū)動「軟體浮游機器人」，有望處理水面污染物

RoboSpeak 2022-01-02

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當蒸汽機與機器人結(jié)合,，會發(fā)生什么,？

會變成軟體蒸汽機！

它以光為驅(qū)動,，以水為燃料,，將光能轉(zhuǎn)化為熱能，使水蒸發(fā)并推動水面游動,。

根據(jù)光照強度的變化自動調(diào)整游泳姿勢,，不僅自身無污染，還能處理污水和清理漂浮物,！

這是由著名材料學(xué)家殷亞東團隊開發(fā)的一種軟體浮游機器人,，以水黽為靈感，用蒸汽機原理運動,，該文章發(fā)表在Science Robotics 上,，論文題為《用于自適應(yīng)振動和仿生游泳的光驅(qū)動軟體蒸汽機》（Light-poweredsoft steam engines for self-adaptive oscillation and biomimetic swimming）。

▍光驅(qū)動軟體蒸汽機：以光為驅(qū)動,，以水為燃料

光驅(qū)動有什么好處呢,？

機器人可以不受導(dǎo)線限制,，運動更靈活、更自由,，運動范圍更廣泛,。

光驅(qū)動軟體蒸汽機由三層聚合物薄膜組成，自上而下分別為聚酰亞胺,、聚丙烯酰胺水凝膠和聚二甲基硅氧烷,。

其中，上層的聚酰亞胺的熱膨脹系數(shù)較小,，而最下層的聚二甲基硅氧烷的熱膨脹系數(shù)較大,，兩種材料都是疏水性的，使得生成的薄膜能夠漂浮在水面上,；中間的水凝膠層可用于儲藏大量水分,、以及包埋四氧化三鐵和銅（Fe3O4/Cu）復(fù)合納米棒，該納米棒能夠?qū)⒐廪D(zhuǎn)換成熱,。

在光的照射下,，納米棒發(fā)熱，將軟體蒸汽機的溫度帶動起來,，由于下層材料的熱膨脹系數(shù)較高,，薄膜會先向上彎曲。

在持續(xù)光照下,，溫度逐漸升高,，直到周圍的水開始蒸發(fā)，研究人員借助高速攝像機,，觀察到這時在頂層和水凝膠層之間會形成蒸汽泡,，使薄膜稍微向下到不平衡狀態(tài)；然后氣泡膨脹到薄膜時,，蒸汽被釋放,，導(dǎo)致薄膜再次恢復(fù)到平衡狀態(tài)，這種連續(xù)的蒸汽產(chǎn)生和釋放可以在薄膜中產(chǎn)生持續(xù)的機械振蕩,，來驅(qū)動軟體機器人在水面上的浮游,。

▍主動適應(yīng)光線強度，自動調(diào)整游泳姿勢

光游起來還不夠,，如何讓機器人主動響應(yīng)光線強度的變化呢,？

答案就在振動頻率上，只要能控制薄膜的振動頻率和振幅,，就能改變機器人的運動速度和方向,。

而振動產(chǎn)生的頻率和振幅，取決于蒸汽泡的產(chǎn)生和釋放速率,，這時即可通過控制光的強度,，來改變機器人的振動模式和運動方式,。

比如在弱光照射下，蒸汽泡的產(chǎn)生很慢,，這時就能觀察到間斷的,、周期性振動；當增加光功率時,，蒸汽泡的產(chǎn)生速率也會增加,，振動頻率也會更快，這樣軟體機器人就可以響應(yīng)外界的光強變化,，并能主動改變自身振動和浮游運動模式,，這突破了很多軟體機器人的局限性，為設(shè)計可自主適應(yīng)外界變化的軟體機器人提供了新思路,。

▍仿生自適應(yīng)游泳運動員

基于光驅(qū)動軟體蒸汽機,，研究人員設(shè)計了水面浮游機器人，為了讓機器人能在水中更有“勁”,，他們設(shè)計了一個具有120°曲率的半球形致動器,，該結(jié)構(gòu)可讓機器人的兩端深入水面以下汲水，還可把水通過水凝膠層傳遞到機器人身體中作為 “燃料”,，減少熱量損失和耗散,。