「水上飄」輕功了得!能靠表面張力行走、跳躍的「水蜘蛛」機器人

 

 

南韓首爾大學(Seoul National University)和美國哈佛大學魏斯仿生工程研究院(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard University)近期研發出一架精確重現自然界生物比例的迷你「水黽」(讀音ㄇㄧㄣˇ,臺灣俗稱「水蜘蛛」)仿生機器人,能憑藉表面張力及腿部特殊「力矩翻轉彈射」設計,在水面行走、跳躍達 14.2 公分高。

 

根據 7 月 31 日在重量級期刊《科學》上發表的論文研究團隊在當地一座池塘裡採集了多隻活生生的水黽放置在實驗室的水桶裡,再以高速攝影機拍攝牠們的行為。研究團隊發現,水黽能夠漂浮在水面上,最主要得力於牠能將體重平均分攤於大塊表面積的長腿,而從水面跳起時,水黽用以跳躍的 4 隻腿會採用「漸進式加速」,其峰值力(peak force)始終維持在 144 mN/m 以下,以避免破壞水的表面張力;同時,其腿部還會往內收合,以盡可能增加接觸水面的時間,這麼做能夠提升牠向上的推力達 42% 之多。

 

 

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根據實驗觀察結果和水黽生物體的真實比例,研究人員打造出一架重量只有 68 毫克(0.068 公克),身長僅 2 公分、腿長卻足足有 5 公分的小型機器人,它的身體構造受折紙藝術啟發,具摺疊、彈開的能力,而它的長腿則模仿真正的水黽,腿部末端的「腳趾」處呈彎曲狀,並塗上了一層防水的超疏水(superhydrophobic)奈米材質。

 

當它跳起時,其仿照跳蚤腿部設計的力矩翻轉彈射(torque reversal catapult)跳躍機制,會逐漸增加腿部的往下的施力,最高垂直加速可達 14 g,離開水面時最高峰速(peak velocity)則可達每秒 1.6 公尺,讓這架機器人能夠從水面跳起達 14.2 公分高,超過自體身長 7 倍,完美重現自然界一般水黽的跳躍實力。

 

 

 

 

 

目前已知第一架能夠在水面上跳躍的小型機器人,是 2012 年由中國哈爾濱工業大學的研究團隊所開發。不過,當時那架機器人有 6 英寸長(15.24 公分)、重 11 公克,雖然只跟一枝木製鉛筆差不多重,卻已比正常水黽重約 1000 倍。它使用 5 隻以碳纖維及防水發泡鎳(water repellant nickel foam)製成的槳狀腳,讓它得以維持平衡、漂浮在水上。

 

不過,2012 年哈爾濱工業大學所研發的機器人是利用 3 隻腳保持平衡,剩下 2 隻彈跳用、裝有彈簧機制的後腳則藉由發泡鎳的抗水性,以及踏下水的那一刻所造成的水壓,在腳邊製造出隔絕水面的空氣氣囊,好讓它一蹦達到 6 英寸高、14 英寸(35.56 公分)遠,超過其身長的 2 倍。比起水黽,其跳躍機制其實更類似自然界中同樣能夠「水上飄」的雙冠蜥(basilisk lizard)。

 

 

 

 

 

相較之下,這次南韓首爾大學與美國哈佛大學合力研發的這座水黽機器人,身形更為迷你,跳躍機制更仰賴表面張力,設計比例也更接近自然界所模仿的生物體。雖然目前它無法連續跳躍,落地時也無法保持平衡,但其相對簡單的構造,讓它有機會以較低廉的價格大量生產。

 

研究團隊表示,未來希望能以此為基礎,開發出除了能在水面上跳躍,還能游泳、完成其他複雜任務的水濱機器人,它們除了可以大量群集(swarm)方式散布於特定河川或海洋地區來監控生態與水質,也可以協助緊急救災搜尋,或作為「間諜」機器人用在軍事監測上。

 

 

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