水污染已成為全球性環境問題，關乎社會生產安全和人類生命健康。利用水生機器人實現水體信息的主動探測和連續監測有望構建智能水生態系統，有助于提升水環境治理。理想的水生機器人，應具備主動利用環境能量、感知水體信息并實現信息反饋的能力，這有利于建立人-機-環境間的實時信息交互，對促進智能水生生態系統和環境可持續發展有重要意義。現有水生機器人通常功能單一，僅能滿足運動或簡單信息傳感，無法有效協同水上運動、能量收集和主動傳感能力，難以滿足水生環境動態/連續監測需求。
近日，東華大學熊佳慶研究團隊提出并證實一種可自主監測水體信息的水上機器人。作者開發了一種超輕/疏水/高電負性氣凝膠，利用并行電極陣列放大連續固-液界面摩擦電效率，結合Marangoni自推動效應和固-液生電自能量傳感機制，實現了水上機器的自主推進、電能采集和水體信息主動感知。區別于目前間歇性液-固接觸/分離的摩擦電機制，該工作揭示了一種普適性的連續滑行固-液生電傳感機制，為實現機器人自主利用環境能量并進行信息獲取/環境交互提供了一種有效途徑，對構建不同規模智能水生生態系統有重要啟發。相關研究成果以“Self-Propelled Nanocellulose Aerogel Eco-Robots for Self-Powered Aquatic Environment Perception”為題發表在《ACS Energy Letters》上。論文第一作者為東華大學博士生張紀偉、吳夢婕，通訊作者為東華大學熊佳慶教授、俞建勇院士和中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士。該工作得到國家自然科學基金委（52103254, 52273244）等項目的資助。
圖1. 水體信息自主感知型氣凝膠機器人設計
受利用Marangoni效應實現水上快速運動的隱翅蟲啟發，作者設想實現一種Marangoni驅動的小型超輕機器人，可以協同水上自主運動和自能量傳感能力，主動利用環境能量進行水生信息感知（圖1）。為此，作者開發了一種改性納米纖維素氣凝膠（TCPP），同步實現了低密度（93 mg cm-3）、穩定疏水性（接觸角149.5°）和超高負表面電勢（-1722.8 V）；通過配置具有Marangoni效應的微型燃料泵，實現了機器人水上自主可控運動；利用并行模式圖案化電極陣列放大固-液界面連續摩擦生電效應，賦予了機器人運動同步感知水體信息（例如離子鹽、染料和有機物等雜質、魚等生物）的能力。這一系統設計確保了機器人水上穩定運動，同時激發固-液界面連續產電效應，實現水上自供電及水體信息同步檢測。
圖2. 水上機器人的連續運動固-液界面產電機制
作者首先通過在機器人尾部水面注射定量Marangoni燃料，為TCPP氣凝膠機器人設置了一種水上間歇運動模式，用于研究其運動產電機制（圖2）。該機器人在間歇運動中的產電過程由三個階段構成：首先，高電負性機器人懸浮在水面時，與水之間發生電荷轉移并誘導建立初始雙電層（EDL）；然后，當機器人運動時，水中電荷的動態遷移會破壞初始EDL并誘導電子從地面流向機器人電極；當機器人停止運動時，固-液界面處會形成一個新的EDL，該EDL在機器人退回到初始位置過程中會被打破，誘導電子從機器人電極流向地面。因此，間歇運動過程中該機器人的產電機理可歸因為固-液界面處EDL的周期性破壞與重建導致的電荷轉移。
基于此，作者系統研究了機器人的幾何形狀（方形、圓形、舟形）、滑行角度（與電極陣列夾角為0°、45°、90°）以及電極陣列圖案（平行、同心方形、同心圓形）對產電效率的影響。結果表明，舟形機器人具高更高的運動穩定性，且運動過程中機器人的電壓輸出高度依賴于電極的有效面積，具有同心方形電極陣列的水上機器人沿45°運動時可最大化電極有效面積，達到最大電學輸出，具有同心圓形電極陣列的機器人電學輸出則幾乎不受運動方向影響。作者還研究了機器人的運動速度和氣凝膠材料對電壓輸出的影響，結果表明具有低密度和高電負性的超疏水材料有利于實現水上機器人高速運動和較大電學輸出。該機器人顯示出優異耐用性，在100次連續間歇運動后其疏水性、表面電勢和和電學輸出可維持穩定。
圖3. 機器人水上連續運動及同步電學感知能力
通過在機器人側面配置具有Marangoni效應的微型燃料泵，作者進一步研究了機器人自主運動過程中的電信號發生機制（圖3）。研究表明，連續運動時的電信號可歸因于機器人速度突變導致的水中電荷遷移。具體而言，機器人在水面上持續滑行時，界面迅速充電形成飽和的EDL，當其發生瞬時減速（如遇到障礙物）時會破壞固-液界面EDL，引起水中電荷遷移，機器人電極與地面之間產生電勢差，誘導電子從電極流向地面，從而改變電信號；隨后，機器人繼續滑行，瞬時加速將再次引起電荷遷移，誘導電子從地面流向電極及相應電信號變化。因此，電壓的瞬時變化可視為有效電信號，用于機器人運動狀態的自主監測。此外，水上機器人的續航時間可通過調節燃料泵與氣凝膠的質量比來實現，其運動方向和軌跡可通過改變燃料泵數量和位置來調控。這種小型水體中的可控自發運動為氣凝膠機器人實現水體信息的自主動態感知奠定了基礎。
圖4. 水上機器人實現水質自主檢測
基于對連續運動固-液接觸起電機制的研究與理解，針對傳統水體環境檢測技術依賴于昂貴設備、采樣/測試過程耗時耗能的不足，作者提出水上機器人自主利用環境能量并主動感知水體信息的策略（圖4）。其檢測機理在于不同雜質種類/濃度的水體具有不同的表面張力和電荷量，影響機器人的行進速度，形成差異化的輸出電壓。在間歇運動中，水中無機鹽、有機小分子、染料分別產生屏蔽效應、極性降低或吸附效應，減小水中的電荷轉移和機器人的電壓輸出。在連續運動中，水體中的雜質通過屏蔽效應抑制氣凝膠底部與水的電荷轉移，從而減少機器人速度突變時的電荷遷移量和信號變化。通過建立雜質濃度與電學輸出間的量化關系，機器人實現了多種水體污染物（包括無機物和有機物）濃度的自主檢測，靈敏度高達99.6%，顯示出其在水生環境監測中的應用潛力。
圖5. 熱/聲偽裝水上機器人感知水生物運動狀態
這類水上機器人具有熱/聲隱身能力，結合其對水體信息的自主電學感知能力，可實現與水生物的友好互動/狀態監測（圖5），例如通過在燃料泵中負載友好/非友好誘餌實現對魚群的控制，如吸引、排斥。此外，基于魚群會影響機器人與水界面間的電荷轉移，水上機器人可通過電信號變化同步感知魚群狀態信息（接觸、靠近、遠離）。利用這一策略有望提升對生物信息的動態監測能力，促進水生物的智慧管理和智能水生生態系統的可持續發展。
總結與展望
本文證實了一種集“自主推進-電能采集-環境感知”于一體的纖維素氣凝膠水上機器人。該機器人通過配置Marangoni燃料泵實現水面上的連續推進，并利用其水面可控推進和并行電極陣列設計，進行固-液界面連續摩擦電信號的采集，實現了水體中無機鹽、有機小分子、染料、pH值、魚類運動等信息的自主檢測。同時，作者揭示了一種普適性連續滑行固-液生電傳感機制，為實現水生機器人自主利用環境能量進行多方面信息獲取/環境交互提供了一種有益途徑。這種連續滑行固-液生電傳感機制也有望服務于其它水上運動載體或運動控制技術，用于不同水體環境的化學與生物信息監測，有望為推進智能水生生態系統構建和提升人-機-環境交互應用提供啟發。
論文信息：J Zhang, M Wu, X Zhou, Z Ming, J Chen, L Zhu, J Yu*, ZL Wang*, J Xiong*, Self-propelled nanocellulose aerogel eco-robots for self-powered aquatic environment perception, ACS Energy Letters, 2024, 9, 4852-4863.
全文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.4c01769
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