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摘要：Marangoni效應(yīng)驅(qū)動通過化學(xué)釋放產(chǎn)生表面張力梯度，實現(xiàn)動態(tài)和無束縛的運動，因此在昆蟲級自行機器人的發(fā)展中具有很大的潛力。然而，由于化學(xué)“燃料”的釋放和擴散通常是不可控的，Marangoni效應(yīng)驅(qū)動是不穩(wěn)定的，從而限制了機器人的應(yīng)用。在此研究中，報道了基于石墨烯和聚二甲基硅氧烷光熱復(fù)合材料的超疏水游泳機器人的激光制造，以開發(fā)可控Marangoni效應(yīng)驅(qū)動。通過將嵌入微流控通道（T型結(jié)和特斯拉閥）和光熱腔（基于石墨烯&PDMS的光熱復(fù)合物空氣室）相結(jié)合，提出了一種可以控制化學(xué)“燃料”釋放的光觸發(fā)開關(guān)。此外，通過激光加工在游泳機器人表面制備了超疏水表面，減小了水阻力，提高了推進(jìn)力。通過對釋放通道中的酒精/空氣段進(jìn)行編程，實現(xiàn)了按需驅(qū)動和游動路線規(guī)劃，實現(xiàn)了按需驅(qū)動和游動路線規(guī)劃。作為概念驗證，配備微型數(shù)碼相機的Marangoni游泳機器人在實際環(huán)境中使用。因此，本研究有望推動化學(xué)Marangoni效應(yīng)在游泳機器人中的實際應(yīng)用。

1介紹

昆蟲微型機器人具有高效自由移動、可控操作性高和無線通信等特性，在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、遙感以及生物醫(yī)學(xué)工程等前沿應(yīng)用中受到研究人員廣泛關(guān)注。受自然界具有復(fù)雜運動系統(tǒng)的昆蟲啟發(fā)，基于各種設(shè)計原理和驅(qū)動機制，成功研制出了體積小巧、自由無栓運動的軟體和類昆蟲形態(tài)的新概念軟體機器人。例如，隱翅蟲通過在其尾部釋放化學(xué)物質(zhì)在水面上推進(jìn)，由此形成的表面張力梯度可以產(chǎn)生快速逃離的推進(jìn)力，受到隱翅蟲的Marangoni推進(jìn)力的啟發(fā)，自主游泳機器人已經(jīng)成功開發(fā)。與傳統(tǒng)的機械驅(qū)動策略不同，在空氣-水界面的Marangoni效應(yīng)驅(qū)動不需要特殊的功能材料或微納米結(jié)構(gòu);可以使得機器人能量的直接轉(zhuǎn)化和自由無栓運動，顯示出在昆蟲尺度上開發(fā)Marangoni效應(yīng)驅(qū)動機器人的巨大潛力。

Marangoni效應(yīng)驅(qū)動的本質(zhì)在于產(chǎn)生表面張力梯度。表面張力大的液體比表面張力小的液體對周圍液體的拉力更大。這樣，液體表面的漂浮物就可以被拉向表面張力大的方向?；谶@一基本原理，已經(jīng)成功地提出了機器人驅(qū)動漂浮裝置的物理和化學(xué)策略。對于物理的Marangoni效應(yīng)，利用環(huán)境能量，如熱和光來改變局部溫度，從而產(chǎn)生表面張力梯度。例如，我們之前報道了由漂浮設(shè)備上的光熱材料組成的光驅(qū)動Marangoni驅(qū)動器。光照射增加引起的局部溫升可以打破表面張力的平衡，并實現(xiàn)可控的驅(qū)動，如遷移和旋轉(zhuǎn)。作為一種替代方案，化學(xué)Marangoni效應(yīng)使漂浮機器人的動態(tài)推進(jìn)成為可能?；瘜W(xué)“燃料”，如酒精和樟腦酸，被加載在機器人上并逐漸釋放，以產(chǎn)生快速驅(qū)動的表面張力梯度，類似于隱翅蟲的快速移動。例如，Li等人成功地開發(fā)了基于對齊中空纖維的化學(xué)Marangoni效應(yīng)，從而實現(xiàn)了一種可以達(dá)到22 rad s?1速度的自行游泳機器人。Shi等人通過將刺激響應(yīng)材料與化學(xué)Marangoni效應(yīng)相結(jié)合，成功地演示了智能船在水面上的光響應(yīng)ON–OFF–ON運動。與采用光功能轉(zhuǎn)換的光熱Marangoni效應(yīng)相比，化學(xué)Marangoni推進(jìn)具有更快的響應(yīng)速度和更大的驅(qū)動力，這在設(shè)計自由無栓軟機器人方面具有很大的前景。然而，由于復(fù)雜的Marangoni流動模式，化學(xué)Marangoni推進(jìn)具有隨機運動性。這可能導(dǎo)致不穩(wěn)定和不可控的二維湍流在液體表面擴散。目前，基于化學(xué)Marangoni效應(yīng)驅(qū)動的遠(yuǎn)程可控移動機器人的開發(fā)仍然是一個巨大挑戰(zhàn)，嚴(yán)重限制了其在機器人技術(shù)中的應(yīng)用開發(fā)。

本研究中，我們報道了仿生超疏水游泳機器人配備微流控通道（T型結(jié)和特斯拉閥）和光熱腔（基于石墨烯&PDMS的光熱復(fù)合物空氣室）可控Marangoni效應(yīng)驅(qū)動。采用直接激光書寫技術(shù)(DLW)在石墨烯和聚二甲基硅氧烷(PDMS)復(fù)合材料上刻寫了微流控通道和相互連接的空氣室。形成的微流體通道與光熱腔相結(jié)合，通過光觸發(fā)開關(guān)，控制化學(xué)“燃料”的可控釋放。因此，通過化學(xué)Marangoni效應(yīng)允許光驅(qū)動和可控操作的仿生超疏水游泳機器人被開發(fā)出來。通過激光處理制備超疏水表面，顯著降低了水阻，進(jìn)一步提高了推進(jìn)效率。通過控制多個釋放通道中的微流體/空氣片段，實現(xiàn)了按需驅(qū)動和可編程的游動路線。作為概念驗證演示，游泳機器人配備了一個微型數(shù)碼相機，在可控的Marangoni推進(jìn)過程中捕捉到實際的湖泊環(huán)境。因此，這項研究可以為化學(xué)Marangoni機器人的實際應(yīng)用開辟一條道路。

2結(jié)果與討論

為了提高化學(xué)Marangoni效應(yīng)驅(qū)動的可控性，設(shè)計并制造了微流體通道和空氣注入室來編程釋放。圖1a顯示了甲蟲形Marangoni游泳機器人的裝置結(jié)構(gòu)。采用由PDMS和機械剝離石墨烯(石墨烯和PDMS)組成的光熱聚合物復(fù)合材料制備游泳機器人。采用DLW和軟光刻相結(jié)合的工藝制備了由酒精室、氣室和連通通道組成的嵌入式微流控通道。盡管幾何形狀對游泳行為的影響相對較小，但在這項工作中，我們制造了一個類似昆蟲的游泳機器人。這種仿生設(shè)計可以促進(jìn)隱藏在野外的實際應(yīng)用。圖1b,c顯示了微通道的截面結(jié)構(gòu)，它由激光處理制成的底部超疏水層、空氣室和微流體通道以及透明的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)蓋組成。局部溫度的升高會使空氣膨脹，從而觸發(fā)醇段的釋放(圖1c)，從而推動機器人。圖1d顯示了甲蟲形狀的Marangoni游泳機器人的照片，長度和寬度分別為≈5.24和3.23 cm。制備了T型結(jié)微流體通道，用于酒精和空氣段的可控生成。如圖1e所示，可以根據(jù)光照射量調(diào)節(jié)風(fēng)量來控制醇段長度，可以很好地控制醇段長度。此外，為了防止流體回流，在出口通道處制作了一個特斯拉閥(圖1f)。因此，醇段只能向出口遷移。光照下，乙醇段在2 s內(nèi)偏移約4.8 mm。當(dāng)燈光照明被移除時，酒精段沒有立即移動回原來的位置。特斯拉閥雖然不是標(biāo)準(zhǔn)的單向閥，但它能有效地促進(jìn)前流，抑制回流(圖S1)。

圖1：a) 隱翅蟲仿生游泳機器人結(jié)構(gòu)示意圖，主要由微流體通道、空氣/酒精室和排出口組成。b)游泳機器人的截面結(jié)構(gòu);c)光熱開關(guān)的工作機理。在光線照射下，光熱石墨烯和PDMS復(fù)合材料可以加熱空氣室并誘導(dǎo)空氣膨脹，從而觸發(fā)酒精的釋放。d)游泳機器人的照片。e)一個典型的T型結(jié)微流體通道，顯示空氣/酒精段的生成。f)顯示光照射下空氣/酒精段單向輸送的特斯拉閥。

為了更好地理解Marangoni效應(yīng)驅(qū)動的動態(tài)過程，我們制作了一個單通道游泳機器人，并分析了其酒精釋放后的驅(qū)動過程(圖2a)。根據(jù)傳統(tǒng)的Marangoni效應(yīng)驅(qū)動理論，Marangoni效應(yīng)驅(qū)動力是由表面張力梯度產(chǎn)生的。在酒精釋放后，凈力主導(dǎo)機器人的驅(qū)動。我們進(jìn)一步分析位移對時間的相互關(guān)系，如圖2b所示。它每秒移動約18厘米(視頻S1)。移動距離與裝載燃料量的關(guān)系如圖S2所示。當(dāng)燃料耗盡時，我們必須補充燃料。或者，游泳機器人也可以通過光熱Marangoni效應(yīng)來驅(qū)動(圖S3)。此外，在有限的環(huán)境中，前期酒精的釋放可能會增加燃料濃度，從而對游泳行為產(chǎn)生輕微影響。因此，我們測量了一系列不同體積比的酒精-水混合物在PDMS表面的CA(圖2c)。隨著酒精濃度的增加，CA從純水的88°逐漸降低到純酒精的23°。此外，我們還演示了混合物在水面上的擴散(圖S4)。隨著酒精濃度的增加，漂浮距離增大。當(dāng)使用酒精-水混合物作為燃料時，機器人的平均速度隨著酒精濃度的增加而增加。因此，對機器人驅(qū)動力的增加導(dǎo)致了更高的平均速度。特別是推進(jìn)過程中的平均合力在0.5 s內(nèi)從0 N(水為燃料)增加到1.1184 mN(純酒精為燃料)，如圖2c(紅線)所示。結(jié)果表明，隨著出口周圍酒精濃度的降低，推進(jìn)力逐漸減小。在一個典型的過程中，當(dāng)酒精被釋放時，形成一個局部的表面張力梯度，這推動了機器人。然而，酒精在水中的擴散是一個自發(fā)的過程。當(dāng)機器人向前游動時，在連續(xù)的酒精釋放和同時的酒精擴散之間發(fā)生了競爭效應(yīng)。因此，推進(jìn)力是連續(xù)變化的，這進(jìn)一步依賴于機器人的瞬時速度。我們使用攝像機研究了酒精隨時間釋放的瞬時速度(圖2d)。由于Marangoni效應(yīng)驅(qū)動，速度先是增加，然后下降。瞬時速度呈脈沖式增加，而不是逐漸變化。據(jù)我們所知，這種現(xiàn)象還沒有報道過。理論上，當(dāng)驅(qū)動力與阻力相等時，游泳機器人可以達(dá)到最大速度。但是，僅考慮Marangoni推進(jìn)力(F′)和粘性阻力(F′)，理論值小于我們的實驗結(jié)果。在傳統(tǒng)的Marangoni效應(yīng)驅(qū)動理論中，強表面活性材料通常具有較高的驅(qū)動能力，從而產(chǎn)生較高的加速度和速度。然而，根據(jù)報道的結(jié)果，使用強表面活性材料作為燃料(硅油，表面張力≈20 dyn cm?1)的游泳機器人表現(xiàn)出較低的驅(qū)動性能，因為硅油不溶于水。在這方面，化學(xué)勢能梯度誘導(dǎo)的溶解和可溶性動力材料的擴散可以被認(rèn)為是進(jìn)一步加強Marangoni流的另一個重要因素。在這里，我們稱之為水動力。在之前的受力分析中，忽略了燃料擴散產(chǎn)生的水動力。實際上，水動力在某些條件下可能會表現(xiàn)出推進(jìn)作用。因此，在本研究中，我們從理論上和實驗上研究了水動力的影響。如圖2e所示，可以清楚地識別出酒精釋放和擴散時的陰影。隨著裝置的推進(jìn)，酒精的釋放不是連續(xù)的，這可以通過波紋陰影的干涉模式來證實。為了更好地理解這一動態(tài)過程，我們對酒精在水面上的擴散進(jìn)行了FLUENT模擬(圖2f)，其中連續(xù)釋放兩劑量的酒精可以產(chǎn)生相似的酒精分布梯度。最初釋放酒精時，酒精濃度≈100%，驅(qū)動力最大。因此，船可以達(dá)到運動的最大加速度(牛頓第二定律)。當(dāng)船開始移動時，由于酒精的表面張力，酒精的釋放變得不連續(xù)。隨著燃料濃度的降低，加速度先減小，再增大，直到第二醇段釋放。因此，瞬時速度以脈沖方式增加。

圖2：a)游泳機器人受力分析示意圖。b)游泳機器人計時運動距離，插圖為游泳機器人照片(燃料為摻有紅色染料的酒精)。c)以乙醇/水混合物為燃料時，酒精/水混合物液滴的接觸角與酒精濃度的關(guān)系，以及游泳機器人的平均驅(qū)動力對酒精濃度的依賴關(guān)系。d)游泳機器人在不同時刻的瞬時速度。e)酒精釋放誘導(dǎo)推進(jìn)過程視頻截圖。紅線表示乙醇釋放的起始點，波紋表示擴散過程。f)酒精在水面擴散過程的FLUENT模擬。

為了演示驅(qū)動能力，我們設(shè)計并制造了一個六邊形的Marangoni渦輪，它由一個位于中心的蓄水池和六邊形六個角上的六個出口組成。當(dāng)使用純PDMS制備Marangoni渦輪時，該裝置變得透明(圖3a)。水滴在表面的CA為88°(圖3b)，表明PDMS表面不超疏水。如前所述，推進(jìn)力主要由來自表面張力梯度的驅(qū)動力和來自水的負(fù)阻力所決定。為了進(jìn)一步提高驅(qū)動效率，我們通過DLW處理制備了超疏水表面以降低水阻，如圖3c所示。激光處理后，由于激光誘導(dǎo)的微/納米結(jié)構(gòu)和同時碳化，形成了粗糙的黑色表面。協(xié)同作用形成超疏水表面，如圖3d,e所示。x射線光電子能譜(XPS)證實了激光處理后化學(xué)成分的變化(圖S5)。激光處理后的PDMS表面的水CA為151°(圖3e)，表明具有超疏水性。Marangoni渦輪的表面張力分析如圖3f所示。驅(qū)動力可以產(chǎn)生順時針角動量，引起渦輪旋轉(zhuǎn)。為了直接比較超疏水渦輪和傳統(tǒng)渦輪，我們使用與燃料相同的酒精量來評估它們的推進(jìn)力(圖3g)。作為對照實驗，常規(guī)渦輪在0.4s內(nèi)旋轉(zhuǎn)了72°，而超疏水渦輪由于水阻較低，同時旋轉(zhuǎn)了142°。為了演示超疏水渦輪的運動軌跡，我們從旋轉(zhuǎn)視頻中提取了渦輪在不同時間的位移，如圖3h(視頻S2，支持信息)。渦輪的旋轉(zhuǎn)是非常動態(tài)的，運動持續(xù)時間≈4分鐘。作為對比，這兩個渦輪在不同時間的轉(zhuǎn)速如圖3i所示。使用等量的酒精作為燃料，轉(zhuǎn)速先升高后降低。超疏水渦輪的最大平均轉(zhuǎn)速≈2.75 rad s?1，是傳統(tǒng)渦輪(≈1.34 rad s?1)的兩倍以上。因此，使用超疏水表面可以有效地降低水阻力，促進(jìn)Marangoni驅(qū)動。

圖3：a)原始PDMS渦輪的照片。b)原始PDMS表面水滴CA, CA為88°。c)超疏水表面DLW過程示意圖。插圖為激光處理PDMS表面的SEM圖像。d)激光處理渦輪的照片。e)激光處理表面水滴，CA為151°。f)渦輪機械力分析示意圖。g)原始渦輪和激光處理渦輪旋轉(zhuǎn)對比的視頻快照。h)激光處理后渦輪在不同時間的旋轉(zhuǎn)軌跡。i)原始渦輪和激光處理渦輪的轉(zhuǎn)速隨時間的依賴關(guān)系。

為了解決化學(xué)Marangoni驅(qū)動機器人的靈活操作問題，我們結(jié)合光熱材料和微流體來控制Marangoni驅(qū)動，使昆蟲大小的游泳機器人成為可能。首先，我們用不同石墨烯含量的石墨烯和PDMS復(fù)合材料(PDMS/固化劑/石墨烯質(zhì)量比為100:10:1、100:10:2和100:10:4，圖4a)評估光熱性能。在100 W的光照(燈絲光)下，三種復(fù)合材料的溫度隨照射時間的增加而升高。石墨烯的存在對其光熱性能至關(guān)重要。當(dāng)石墨烯含量增加時，在光線照射下溫升(ΔT)增加得更快、更高，因為更多的石墨烯占了更高的光吸收。為了直接比較光熱效應(yīng)，采用紅外熱像儀顯示了光照1.5 min下的溫度變化(圖4b)。石墨烯含量最高(PDMS/石墨烯質(zhì)量比為100:4)的復(fù)合材料溫度最高。考慮到柔軟度和柔韌性，石墨烯含量應(yīng)控制在<30%。

圖4：a)石墨烯和PDMS復(fù)合材料的溫度變化對輻照時間的依賴性。b)不同石墨烯含量的石墨烯和PDMS復(fù)合材料的紅外熱像圖。c)空氣/酒精段在微通道中通過特斯拉閥傳輸?shù)氖疽鈭D。插圖是昆蟲形狀的游泳機器人的照片。d)間歇光照下空氣/酒精段的傳輸距離。e)昆蟲仿生機器人在光開關(guān)時的瞬時速度變化。f)轉(zhuǎn)彎曲率與出口通道相對位置的關(guān)系。g)通過在三個微通道中編程空氣/酒精段，實現(xiàn)對游泳機器人運動軌跡的靈活控制。上面的圖像是空氣/酒精段的方案，下面的圖像是游泳機器人的不同運動路線。

為了研究光觸發(fā)的酒精釋放，我們定量分析了微流控通道內(nèi)酒精段的運輸。在排放通道處設(shè)計并制造了一個特斯拉閥(圖4c)。我們還測量了開燈和關(guān)燈時酒精片段的運輸距離。當(dāng)光照射到光熱空氣室時，在2 s內(nèi)，酒精段可向出口處移動≈3mm。通過開燈和關(guān)燈，酒精段的轉(zhuǎn)運過程呈階梯狀曲線，如圖4d (視頻S3,)所示。圖4e顯示了昆蟲仿生機器人的速度與光驅(qū)動時間的關(guān)系。當(dāng)打開和關(guān)閉光源時，可以控制燃料在水面上釋放。這樣可以很好地控制昆蟲機器人的運動速度，說明了熱光開關(guān)的靈活性。

為了更好地控制推進(jìn)方向，定量研究了放電通道位置對運動軌跡的影響。圖4f顯示了轉(zhuǎn)彎半徑與放電通道相對位置的關(guān)系(記為x2/x1)。通過將通道的相對位置從1.125調(diào)整到1.43，可以將轉(zhuǎn)彎曲率從0.247 (cm?1)調(diào)制到0.824 (cm?1)。較大的相對位置會導(dǎo)致較小的轉(zhuǎn)彎半徑，這種關(guān)系進(jìn)一步取決于游泳機器人的大小。由此可見，排出通道的相對位置和酒精釋放量(節(jié)段長度)以及空氣節(jié)段可以協(xié)同控制游泳機器人的運動軌跡。在這種情況下，任何想要的運動路線可以通過調(diào)整通道位置和酒精/空氣段來編程。基于這一基本原理，我們演示了基于三通道游泳機器人的幾種運動軌跡，如圖4g (視頻S4)所示。圖4f的插圖(上圖)說明了三個通道中的酒精/空氣段。在光照下，連接到出風(fēng)口的三個空氣室都可以加熱。因此，不同通道中的酒精/空氣段可以依次釋放。通過這種方式，可以對復(fù)雜的運動路線進(jìn)行編程，為Marangoni游泳機器人的可控操作提供可行的科學(xué)實驗。

以自走式Marangoni游泳機器人為運動平臺，進(jìn)一步集成微型無線攝像機(直徑2.8 cm, Kaonuoer, 0KNR-MINI, China)，演示了其在自然環(huán)境下的靈活操作和監(jiān)控過程。圖5a顯示了裝有攝像頭的游泳機器人的照片，其中酒精/空氣段在通道中的位置顯示在插圖中。在這項研究中，陽光照射觸發(fā)了酒精/空氣片段的釋放，這主導(dǎo)了運動。作為代表性的演示，可以在水面上編程一條“S”形移動軌跡。圖5b顯示了游泳機器人的實時位置，在8s內(nèi)沿著“S”軌跡移動了≈40 cm，成功繞過了湖中的障礙物。運動過程如圖5c所示。同時，游泳機器人上的無線攝像頭捕捉環(huán)境圖像，并將視頻信息發(fā)送回研究人員的手機(視頻S5)。從傳回的視頻中可以看出，天空、樹木、云層和一只飛行的鳥都可以在1秒內(nèi)輕松破譯(圖5c)。因此，由化學(xué)Marangoni效應(yīng)驅(qū)動的昆蟲仿生游泳機器人可作為軍事偵察和水面環(huán)境監(jiān)測的前沿應(yīng)用的自由無栓運動平臺。

圖5：a)集成了微型相機的游泳機器人照片。插圖是腔室/微通道網(wǎng)絡(luò)和加載空氣/酒精段的方案。b)野外環(huán)境下游泳機器人隨時間變化的運動軌跡。c)游動機器人自主推進(jìn)過程的視頻快照(下圖)和微型攝像機實時拍攝的圖像(上圖)。

3結(jié)論

總之，為了解決化學(xué)Marangoni驅(qū)動對游泳機器人的可控操縱問題，我們開發(fā)了一種由微流體通道和基于石墨烯和PDMS復(fù)合材料的光熱空氣室組成的昆蟲級仿生游泳機器人。通過簡單的激光處理，形成了超疏水表面，有效地降低了水阻力，并提高了推進(jìn)力。利用光熱空氣室作為酒精可控釋放開關(guān)，實現(xiàn)了游泳機器人的按需推進(jìn)。通過對微流體通道內(nèi)的空氣/酒精段進(jìn)行編程，可以以可控的方式精確調(diào)整游泳路線，從而實現(xiàn)機器人對自我推進(jìn)過程的控制。為了演示Marangoni驅(qū)動的靈活操作，將一個攜帶微型攝像機的昆蟲大小的仿生游泳機器人在野生湖泊中進(jìn)行了測試;攝像機錄制的視頻是通過電信接收的。與報道的化學(xué)Marangoni游泳機器人相比，我們的機器人在野外環(huán)境和攜帶設(shè)備時可以進(jìn)行更復(fù)雜的操作。本研究為利用化學(xué)Marangoni效應(yīng)驅(qū)動技術(shù)開發(fā)游泳機器人提供了一種新的方案。