吉林大學AFM：激光加工可控Marangoni效應驅動的仿生遊泳機器人

摘要：Marangoni效應驅動通過化學釋放產(chan) 生表麵張力梯度，實現動態和無束縛的運動，因此在昆蟲級自行機器人的發展中具有很大的潛力。然而，由於(yu) 化學“燃料”的釋放和擴散通常是不可控的，Marangoni效應驅動是不穩定的，從(cong) 而限製了機器人的應用。在此研究中，報道了基於(yu) 石墨烯和聚二甲基矽氧烷光熱複合材料的超疏水遊泳機器人的激光製造，以開發可控Marangoni效應驅動。通過將嵌入微流控通道（T型結和特斯拉閥）和光熱腔（基於(yu) 石墨烯&PDMS的光熱複合物空氣室）相結合，提出了一種可以控製化學“燃料”釋放的光觸發開關(guan) 。此外，通過激光加工在遊泳機器人表麵製備了超疏水表麵，減小了水阻力，提高了推進力。通過對釋放通道中的酒精/空氣段進行編程，實現了按需驅動和遊動路線規劃，實現了按需驅動和遊動路線規劃。作為(wei) 概念驗證，配備微型數碼相機的Marangoni遊泳機器人在實際環境中使用。因此，本研究有望推動化學Marangoni效應在遊泳機器人中的實際應用。

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(jun) 事偵(zhen) 察、環境監測、遙感以及生物醫學工程等前沿應用中受到研究人員廣泛關(guan) 注。受自然界具有複雜運動係統的昆蟲啟發，基於(yu) 各種設計原理和驅動機製，成功研製出了體(ti) 積小巧、自由無栓運動的軟體(ti) 和類昆蟲形態的新概念軟體(ti) 機器人。例如，隱翅蟲通過在其尾部釋放化學物質在水麵上推進，由此形成的表麵張力梯度可以產(chan) 生快速逃離的推進力，受到隱翅蟲的Marangoni推進力的啟發，自主遊泳機器人已經成功開發。與(yu) 傳(chuan) 統的機械驅動策略不同，在空氣-水界麵的Marangoni效應驅動不需要特殊的功能材料或微納米結構;可以使得機器人能量的直接轉化和自由無栓運動，顯示出在昆蟲尺度上開發Marangoni效應驅動機器人的巨大潛力。

Marangoni效應驅動的本質在於(yu) 產(chan) 生表麵張力梯度。表麵張力大的液體(ti) 比表麵張力小的液體(ti) 對周圍液體(ti) 的拉力更大。這樣，液體(ti) 表麵的漂浮物就可以被拉向表麵張力大的方向。基於(yu) 這一基本原理，已經成功地提出了機器人驅動漂浮裝置的物理和化學策略。對於(yu) 物理的Marangoni效應，利用環境能量，如熱和光來改變局部溫度，從(cong) 而產(chan) 生表麵張力梯度。例如，我們(men) 之前報道了由漂浮設備上的光熱材料組成的光驅動Marangoni驅動器。光照射增加引起的局部溫升可以打破表麵張力的平衡，並實現可控的驅動，如遷移和旋轉。作為(wei) 一種替代方案，化學Marangoni效應使漂浮機器人的動態推進成為(wei) 可能。化學“燃料”，如酒精和樟腦酸，被加載在機器人上並逐漸釋放，以產(chan) 生快速驅動的表麵張力梯度，類似於(yu) 隱翅蟲的快速移動。例如，Li等人成功地開發了基於(yu) 對齊中空纖維的化學Marangoni效應，從(cong) 而實現了一種可以達到22 rad s−1速度的自行遊泳機器人。Shi等人通過將刺激響應材料與(yu) 化學Marangoni效應相結合，成功地演示了智能船在水麵上的光響應ON–OFF–ON運動。與(yu) 采用光功能轉換的光熱Marangoni效應相比，化學Marangoni推進具有更快的響應速度和更大的驅動力，這在設計自由無栓軟機器人方麵具有很大的前景。然而，由於(yu) 複雜的Marangoni流動模式，化學Marangoni推進具有隨機運動性。這可能導致不穩定和不可控的二維湍流在液體(ti) 表麵擴散。目前，基於(yu) 化學Marangoni效應驅動的遠程可控移動機器人的開發仍然是一個(ge) 巨大挑戰，嚴(yan) 重限製了其在機器人技術中的應用開發。

本研究中，我們(men) 報道了仿生超疏水遊泳機器人配備微流控通道（T型結和特斯拉閥）和光熱腔（基於(yu) 石墨烯&PDMS的光熱複合物空氣室）可控Marangoni效應驅動。采用直接激光書(shu) 寫(xie) 技術(DLW)在石墨烯和聚二甲基矽氧烷(PDMS)複合材料上刻寫(xie) 了微流控通道和相互連接的空氣室。形成的微流體(ti) 通道與(yu) 光熱腔相結合，通過光觸發開關(guan) ，控製化學“燃料”的可控釋放。因此，通過化學Marangoni效應允許光驅動和可控操作的仿生超疏水遊泳機器人被開發出來。通過激光處理製備超疏水表麵，顯著降低了水阻，進一步提高了推進效率。通過控製多個(ge) 釋放通道中的微流體(ti) /空氣片段，實現了按需驅動和可編程的遊動路線。作為(wei) 概念驗證演示，遊泳機器人配備了一個(ge) 微型數碼相機，在可控的Marangoni推進過程中捕捉到實際的湖泊環境。因此，這項研究可以為(wei) 化學Marangoni機器人的實際應用開辟一條道路。

2結果與(yu) 討論

為(wei) 了提高化學Marangoni效應驅動的可控性，設計並製造了微流體(ti) 通道和空氣注入室來編程釋放。圖1a顯示了甲蟲形Marangoni遊泳機器人的裝置結構。采用由PDMS和機械剝離石墨烯(石墨烯和PDMS)組成的光熱聚合物複合材料製備遊泳機器人。采用DLW和軟光刻相結合的工藝製備了由酒精室、氣室和連通通道組成的嵌入式微流控通道。盡管幾何形狀對遊泳行為(wei) 的影響相對較小，但在這項工作中，我們(men) 製造了一個(ge) 類似昆蟲的遊泳機器人。這種仿生設計可以促進隱藏在野外的實際應用。圖1b,c顯示了微通道的截麵結構，它由激光處理製成的底部超疏水層、空氣室和微流體(ti) 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(hui) 使空氣膨脹，從(cong) 而觸發醇段的釋放(圖1c)，從(cong) 而推動機器人。圖1d顯示了甲蟲形狀的Marangoni遊泳機器人的照片，長度和寬度分別為(wei) ≈5.24和3.23 cm。製備了T型結微流體(ti) 通道，用於(yu) 酒精和空氣段的可控生成。如圖1e所示，可以根據光照射量調節風量來控製醇段長度，可以很好地控製醇段長度。此外，為(wei) 了防止流體(ti) 回流，在出口通道處製作了一個(ge) 特斯拉閥(圖1f)。因此，醇段隻能向出口遷移。光照下，乙醇段在2 s內(nei) 偏移約4.8 mm。當燈光照明被移除時，酒精段沒有立即移動回原來的位置。特斯拉閥雖然不是標準的單向閥，但它能有效地促進前流，抑製回流(圖S1)。

圖1：a) 隱翅蟲仿生遊泳機器人結構示意圖，主要由微流體(ti) 通道、空氣/酒精室和排出口組成。b)遊泳機器人的截麵結構;c)光熱開關(guan) 的工作機理。在光線照射下，光熱石墨烯和PDMS複合材料可以加熱空氣室並誘導空氣膨脹，從(cong) 而觸發酒精的釋放。d)遊泳機器人的照片。e)一個(ge) 典型的T型結微流體(ti) 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(wei) 了更好地理解Marangoni效應驅動的動態過程，我們(men) 製作了一個(ge) 單通道遊泳機器人，並分析了其酒精釋放後的驅動過程(圖2a)。根據傳(chuan) 統的Marangoni效應驅動理論，Marangoni效應驅動力是由表麵張力梯度產(chan) 生的。在酒精釋放後，淨力主導機器人的驅動。我們(men) 進一步分析位移對時間的相互關(guan) 係，如圖2b所示。它每秒移動約18厘米(視頻S1)。移動距離與(yu) 裝載燃料量的關(guan) 係如圖S2所示。當燃料耗盡時，我們(men) 必須補充燃料。或者，遊泳機器人也可以通過光熱Marangoni效應來驅動(圖S3)。此外，在有限的環境中，前期酒精的釋放可能會(hui) 增加燃料濃度，從(cong) 而對遊泳行為(wei) 產(chan) 生輕微影響。因此，我們(men) 測量了一係列不同體(ti) 積比的酒精-水混合物在PDMS表麵的CA(圖2c)。隨著酒精濃度的增加，CA從(cong) 純水的88°逐漸降低到純酒精的23°。此外，我們(men) 還演示了混合物在水麵上的擴散(圖S4)。隨著酒精濃度的增加，漂浮距離增大。當使用酒精-水混合物作為(wei) 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，對機器人驅動力的增加導致了更高的平均速度。特別是推進過程中的平均合力在0.5 s內(nei) 從(cong) 0 N(水為(wei) 燃料)增加到1.1184 mN(純酒精為(wei) 燃料)，如圖2c(紅線)所示。結果表明，隨著出口周圍酒精濃度的降低，推進力逐漸減小。在一個(ge) 典型的過程中，當酒精被釋放時，形成一個(ge) 局部的表麵張力梯度，這推動了機器人。然而，酒精在水中的擴散是一個(ge) 自發的過程。當機器人向前遊動時，在連續的酒精釋放和同時的酒精擴散之間發生了競爭(zheng) 效應。因此，推進力是連續變化的，這進一步依賴於(yu) 機器人的瞬時速度。我們(men) 使用攝像機研究了酒精隨時間釋放的瞬時速度(圖2d)。由於(yu) Marangoni效應驅動，速度先是增加，然後下降。瞬時速度呈脈衝(chong) 式增加，而不是逐漸變化。據我們(men) 所知，這種現象還沒有報道過。理論上，當驅動力與(yu) 阻力相等時，遊泳機器人可以達到最大速度。但是，僅(jin) 考慮Marangoni推進力(F′)和粘性阻力(F′)，理論值小於(yu) 我們(men) 的實驗結果。在傳(chuan) 統的Marangoni效應驅動理論中，強表麵活性材料通常具有較高的驅動能力，從(cong) 而產(chan) 生較高的加速度和速度。然而，根據報道的結果，使用強表麵活性材料作為(wei) 燃料(矽油，表麵張力≈20 dyn cm−1)的遊泳機器人表現出較低的驅動性能，因為(wei) 矽油不溶於(yu) 水。在這方麵，化學勢能梯度誘導的溶解和可溶性動力材料的擴散可以被認為(wei) 是進一步加強Marangoni流的另一個(ge) 重要因素。在這裏，我們(men) 稱之為(wei) 水動力。在之前的受力分析中，忽略了燃料擴散產(chan) 生的水動力。實際上，水動力在某些條件下可能會(hui) 表現出推進作用。因此，在本研究中，我們(men) 從(cong) 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，酒精的釋放不是連續的，這可以通過波紋陰影的幹涉模式來證實。為(wei) 了更好地理解這一動態過程，我們(men) 對酒精在水麵上的擴散進行了FLUENT模擬(圖2f)，其中連續釋放兩(liang) 劑量的酒精可以產(chan) 生相似的酒精分布梯度。最初釋放酒精時，酒精濃度≈100%，驅動力最大。因此，船可以達到運動的最大加速度(牛頓第二定律)。當船開始移動時，由於(yu) 酒精的表麵張力，酒精的釋放變得不連續。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，瞬時速度以脈衝(chong) 方式增加。

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

為(wei) 了演示驅動能力，我們(men) 設計並製造了一個(ge) 六邊形的Marangoni渦輪，它由一個(ge) 位於(yu) 中心的蓄水池和六邊形六個(ge) 角上的六個(ge) 出口組成。當使用純PDMS製備Marangoni渦輪時，該裝置變得透明(圖3a)。水滴在表麵的CA為(wei) 88°(圖3b)，表明PDMS表麵不超疏水。如前所述，推進力主要由來自表麵張力梯度的驅動力和來自水的負阻力所決(jue) 定。為(wei) 了進一步提高驅動效率，我們(men) 通過DLW處理製備了超疏水表麵以降低水阻，如圖3c所示。激光處理後，由於(yu) 激光誘導的微/納米結構和同時碳化，形成了粗糙的黑色表麵。協同作用形成超疏水表麵，如圖3d,e所示。x射線光電子能譜(XPS)證實了激光處理後化學成分的變化(圖S5)。激光處理後的PDMS表麵的水CA為(wei) 151°(圖3e)，表明具有超疏水性。Marangoni渦輪的表麵張力分析如圖3f所示。驅動力可以產(chan) 生順時針角動量，引起渦輪旋轉。為(wei) 了直接比較超疏水渦輪和傳(chuan) 統渦輪，我們(men) 使用與(yu) 燃料相同的酒精量來評估它們(men) 的推進力(圖3g)。作為(wei) 對照實驗，常規渦輪在0.4s內(nei) 旋轉了72°，而超疏水渦輪由於(yu) 水阻較低，同時旋轉了142°。為(wei) 了演示超疏水渦輪的運動軌跡，我們(men) 從(cong) 旋轉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)。渦輪的旋轉是非常動態的，運動持續時間≈4分鍾。作為(wei) 對比，這兩(liang) 個(ge) 渦輪在不同時間的轉速如圖3i所示。使用等量的酒精作為(wei) 燃料，轉速先升高後降低。超疏水渦輪的最大平均轉速≈2.75 rad s−1，是傳(chuan) 統渦輪(≈1.34 rad s−1)的兩(liang) 倍以上。因此，使用超疏水表麵可以有效地降低水阻力，促進Marangoni驅動。

圖3：a)原始PDMS渦輪的照片。b)原始PDMS表麵水滴CA, CA為(wei) 88°。c)超疏水表麵DLW過程示意圖。插圖為(wei) 激光處理PDMS表麵的SEM圖像。d)激光處理渦輪的照片。e)激光處理表麵水滴，CA為(wei) 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對比的視頻快照。h)激光處理後渦輪在不同時間的旋轉軌跡。i)原始渦輪和激光處理渦輪的轉速隨時間的依賴關(guan) 係。

為(wei) 了解決(jue) 化學Marangoni驅動機器人的靈活操作問題，我們(men) 結合光熱材料和微流體(ti) 來控製Marangoni驅動，使昆蟲大小的遊泳機器人成為(wei) 可能。首先，我們(men) 用不同石墨烯含量的石墨烯和PDMS複合材料(PDMS/固化劑/石墨烯質量比為(wei) 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(si) 光)下，三種複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(guan) 重要。當石墨烯含量增加時，在光線照射下溫升(ΔT)增加得更快、更高，因為(wei) 更多的石墨烯占了更高的光吸收。為(wei) 了直接比較光熱效應，采用紅外熱像儀(yi) 顯示了光照1.5 min下的溫度變化(圖4b)。石墨烯含量最高(PDMS/石墨烯質量比為(wei) 100:4)的複合材料溫度最高。考慮到柔軟度和柔韌性，石墨烯含量應控製在<30%。

圖4：a)石墨烯和PDMS複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複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(chuan) 輸的示意圖。插圖是昆蟲形狀的遊泳機器人的照片。d)間歇光照下空氣/酒精段的傳(chuan) 輸距離。e)昆蟲仿生機器人在光開關(guan) 時的瞬時速度變化。f)轉彎曲率與(yu) 出口通道相對位置的關(guan) 係。g)通過在三個(ge) 微通道中編程空氣/酒精段，實現對遊泳機器人運動軌跡的靈活控製。上麵的圖像是空氣/酒精段的方案，下麵的圖像是遊泳機器人的不同運動路線。

為(wei) 了研究光觸發的酒精釋放，我們(men) 定量分析了微流控通道內(nei) 酒精段的運輸。在排放通道處設計並製造了一個(ge) 特斯拉閥(圖4c)。我們(men) 還測量了開燈和關(guan) 燈時酒精片段的運輸距離。當光照射到光熱空氣室時，在2 s內(nei) ，酒精段可向出口處移動≈3mm。通過開燈和關(guan) 燈，酒精段的轉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(yu) 光驅動時間的關(guan) 係。當打開和關(guan) 閉光源時，可以控製燃料在水麵上釋放。這樣可以很好地控製昆蟲機器人的運動速度，說明了熱光開關(guan) 的靈活性。

為(wei) 了更好地控製推進方向，定量研究了放電通道位置對運動軌跡的影響。圖4f顯示了轉彎半徑與(yu) 放電通道相對位置的關(guan) 係(記為(wei) x2/x1)。通過將通道的相對位置從(cong) 1.125調整到1.43，可以將轉彎曲率從(cong) 0.247 (cm−1)調製到0.824 (cm−1)。較大的相對位置會(hui) 導致較小的轉彎半徑，這種關(guan) 係進一步取決(jue) 於(yu) 遊泳機器人的大小。由此可見，排出通道的相對位置和酒精釋放量(節段長度)以及空氣節段可以協同控製遊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整通道位置和酒精/空氣段來編程。基於(yu) 這一基本原理，我們(men) 演示了基於(yu) 三通道遊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(ge) 通道中的酒精/空氣段。在光照下，連接到出風口的三個(ge) 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，可以對複雜的運動路線進行編程，為(wei) Marangoni遊泳機器人的可控操作提供可行的科學實驗。

以自走式Marangoni遊泳機器人為(wei) 運動平台，進一步集成微型無線攝像機(直徑2.8 cm, Kaonuoer, 0KNR-MINI, China)，演示了其在自然環境下的靈活操作和監控過程。圖5a顯示了裝有攝像頭的遊泳機器人的照片，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，陽光照射觸發了酒精/空氣片段的釋放，這主導了運動。作為(wei) 代表性的演示，可以在水麵上編程一條“S”形移動軌跡。圖5b顯示了遊泳機器人的實時位置，在8s內(nei) 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，遊泳機器人上的無線攝像頭捕捉環境圖像，並將視頻信息發送回研究人員的手機(視頻S5)。從(cong) 傳(chuan) 回的視頻中可以看出，天空、樹木、雲(yun) 層和一隻飛行的鳥都可以在1秒內(nei) 輕鬆破譯(圖5c)。因此，由化學Marangoni效應驅動的昆蟲仿生遊泳機器人可作為(wei) 軍(jun) 事偵(zhen) 察和水麵環境監測的前沿應用的自由無栓運動平台。

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

3結論

總之，為(wei) 了解決(jue) 化學Marangoni驅動對遊泳機器人的可控操縱問題，我們(men) 開發了一種由微流體(ti) 通道和基於(yu) 石墨烯和PDMS複合材料的光熱空氣室組成的昆蟲級仿生遊泳機器人。通過簡單的激光處理，形成了超疏水表麵，有效地降低了水阻力，並提高了推進力。利用光熱空氣室作為(wei) 酒精可控釋放開關(guan) ，實現了遊泳機器人的按需推進。通過對微流體(ti) 通道內(nei) 的空氣/酒精段進行編程，可以以可控的方式精確調整遊泳路線，從(cong) 而實現機器人對自我推進過程的控製。為(wei) 了演示Marangoni驅動的靈活操作，將一個(ge) 攜帶微型攝像機的昆蟲大小的仿生遊泳機器人在野生湖泊中進行了測試;攝像機錄製的視頻是通過電信接收的。與(yu) 報道的化學Marangoni遊泳機器人相比，我們(men) 的機器人在野外環境和攜帶設備時可以進行更複雜的操作。本研究為(wei) 利用化學Marangoni效應驅動技術開發遊泳機器人提供了一種新的方案。