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華科大丁漢院士-吳志剛教授團隊 Nat. Commun.：昆蟲尺度水面推進器

2024-02-28 來源：高分子科技

自然界的生物經過數十億年的進化和選擇，通過其優雅的結構、巧妙的機制和卓越的性能在地球各種環境中取得了空前的成功。這一成功不僅激發了各領域研究人員的靈感，也催生了許多令人興奮的研究領域和實用產品。在自然界中，有一類隱翅蟲（Stenus Comma），當受到天敵威脅時，能夠在水面上迅速獲得高速度和加速度，從而逃脫危險，如圖1。這種行為為昆蟲尺度的水面推進器的設計和操控提供了極佳的仿生對象。

圖1 隱翅蟲迅速逃離天敵的生物行為

研究團隊通過系統地解析隱翅蟲的跨尺度結構來理解這一現象：i. 在宏觀尺度上，隱翅蟲擁有柔順靈巧的腹部結構，可用于按需控制活性劑（動力物質）；ii. 在介觀尺度上，其非浸潤剛毛結構保證了在水面上的穩定運動；iii. 在微觀尺度上，大量的導管結構用于液體成分的內部運輸。這些跨尺度的結構有助于實現隱翅蟲高速、按需的快速驅動行為，如圖2。

圖2 跨尺度的系統級仿生思路

基于這一想法，研究團隊通過引入軟體可實時磁驅尾巴、超疏水表面、尾部各項異性的纖維束等結構，并協同的引入了一對額外的解耦的磁驅“定向芯片”。通過跨尺度系統級仿生和人造結構增強構建了一個昆蟲尺度水面推進器（Uni-SoPro），如圖3所示。它可以實現在單一3D的可編程磁場（三維赫姆霍茲線圈）驅動下，按需實現極高的加速度（8372 BL/s²）、速度（201 BL/s）和減加速度（-5010 BL/s²）的推進和制動行為。該Uni-SoPro昆蟲尺度水面推進器實現了類似的隱翅蟲緊急情況下高速逃逸行為（視頻1）。

圖3 昆蟲尺度水面推進器及其超高的按需推進和剎車性能

視頻1 高速相機下的超高速的推進運動

通過跨尺度系統級仿生和人造結構的增強，研究團隊解決了這個尺度基于表面張力梯度主導的水面推進器難以多次實時按需運動的難題，實現了綜合運動性能幾個量級的突破。（視頻2-4：綜合運動性能指標CKPI: 1.6×10⁶BL²/s³和減加速度~-5,010 BL/s²）。

視頻2 高速相機下的超高速的推進運動

視頻3 高速相機下的制動運動

視頻4 高速相機下的制動運動（側視）

研究人員通過對其推進和制動過程進行了水動力學建模和計算流體分析，解析了其通過姿態快速轉變實現機器人動能衰減的原理，實現了其超越生物的超高減速度的制動行為，視頻5。

視頻5 CFD分析

此外，研究人員通過對推進過程進行解析和運動建模，可對其運動進行多段離散的運動規劃（視頻6），并且可以通過預編程的方式無任何碰撞的通過具有時間和空間約束的動態迷宮水域（視頻7）。詳細的研究介紹如視頻8所示。

視頻6 軌跡規劃

視頻7 軌跡規劃

視頻8 工作介紹

該項研究源于華中科技大學機械學院丁漢院士-吳志剛教授軟體智能研究團隊（圖2），博士生柯星星為第一作者，博士生雍昊臣、碩士生徐富康共同作者。該研究得到了國基金基礎科學中心項目“機器人化智能制造”（No. 52188102）的支持。該工作也同時感謝中山大學先進制造學院吳嘉寧教授、華中科技大學材料學院閆春澤教授、清華大學周成博士生等對于該工作提供的幫助和指導！

相關論文鏈接https://www.nature.com/articles/s41467-024-45997-3

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（責任編輯：xu）

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