生命有机体通过自主反馈和有效的运动策略表现出独特能力，如蚯蚓爬行、鱼的游动和跳跃等，这种动态适应性激发了科学家们寻找类似的运动机制应用于仿生机器人领域。但大多数驱动器功能单一、应用场景有限，影响其进一步的开发和利用。因此，开发出适用于多场景应用、多功能驱动的响应性驱动器件具有重要意义。
受弹涂鱼陆地爬行、液面游动和跳跃的启发，中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室研究员周峰团队与烟台先进材料与绿色制造山东省实验室、北京理工大学等合作，开发出一种内置多孔结构的多功能光驱动和多场景应用的仿生机器人（图1）。在光刺激下，驱动薄膜可以迅速在水面游动，这是由于受光热效应的影响，薄膜周围液体表面张力变小，形成梯度张力，驱使薄膜向高表面张力区域移动，即马兰戈尼效应（图2a-c）。研究人员使用ANSYS软件建立有限元模型，模拟并计算了薄膜的温度和应力场，证实了该现象的合理性（图2d, f）。
通过合理的设计和对光的有效控制，驱动薄膜可以在水面上沿预先设计的路线完成直线、转弯、旋转和后退等运动（图3a），也可以在固定光源照射下像游轮螺旋桨一样自行旋转运动（图3b），驱动薄膜还可以克服乙醇溶液的阻力，完成液下爬行（图3c）。在光刺激下，驱动器可以在极短响应时间（400ms）内从液体介质跳跃到空气中，最高速度为2m/s，高度可达14.3cm（图3d）。
研究人员研制的驱动薄膜可以像弹涂鱼一样具备在空气介质中弯曲、空气/液体界面游动、液体介质跳跃等行为。这种兼具多功能驱动行为和多场景应用特性的驱动器对光响应材料的简单模块化结合具有重要意义，可供仿生驱动器的进一步开发和在微型机器人、传感器和响应性运动等领域的应用参考和借鉴。
相关研究成果以Toward a Multifunctional Light-Driven Biomimetic Mudskipper-Like Robot for Various Application Scenarios为题，发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。
研究工作得到国家自然科学基金重点项目、中科院特别研究助理项目等的支持。
图1.仿生弹涂鱼爬行、游动、跳跃理念及光驱动薄膜的制备和表征
图2.近红外光刺激下，驱动薄膜液面运动行为机理研究
图3.光驱动机器人液面预设路径游动、自主转动、载重、液下爬行和跳跃行为
来源：中国科学院兰州化学物理研究所