吉林大学AFM：激光加工可控Marangoni效应驱动的仿生游泳机器人

摘要：Marangoni效应驱动通过化学释放产生表面张力梯度，实现动态和无束缚的运动，因此在昆虫级自行机器人的发展中具有很大的潜力。然而，由于化学“燃料”的释放和扩散通常是不可控的，Marangoni效应驱动是不稳定的，从而限制了机器人的应用。在此研究中，报道了基于石墨烯和聚二甲基硅氧烷光热复合材料的超疏水游泳机器人的激光制造，以开发可控Marangoni效应驱动。通过将嵌入微流控通道（T型结和特斯拉阀）和光热腔（基于石墨烯&PDMS的光热复合物空气室）相结合，提出了一种可以控制化学“燃料”释放的光触发开关。此外，通过激光加工在游泳机器人表面制备了超疏水表面，减小了水阻力，提高了推进力。通过对释放通道中的酒精/空气段进行编程，实现了按需驱动和游动路线规划，实现了按需驱动和游动路线规划。作为概念验证，配备微型数码相机的Marangoni游泳机器人在实际环境中使用。因此，本研究有望推动化学Marangoni效应在游泳机器人中的实际应用。

1介绍

昆虫微型机器人具有高效自由移动、可控操作性高和无线通信等特性，在军事侦察、环境监测、遥感以及生物医学工程等前沿应用中受到研究人员广泛关注。受自然界具有复杂运动系统的昆虫启发，基于各种设计原理和驱动机制，成功研制出了体积小巧、自由无栓运动的软体和类昆虫形态的新概念软体机器人。例如，隐翅虫通过在其尾部释放化学物质在水面上推进，由此形成的表面张力梯度可以产生快速逃离的推进力，受到隐翅虫的Marangoni推进力的启发，自主游泳机器人已经成功开发。与传统的机械驱动策略不同，在空气-水界面的Marangoni效应驱动不需要特殊的功能材料或微纳米结构;可以使得机器人能量的直接转化和自由无栓运动，显示出在昆虫尺度上开发Marangoni效应驱动机器人的巨大潜力。

Marangoni效应驱动的本质在于产生表面张力梯度。表面张力大的液体比表面张力小的液体对周围液体的拉力更大。这样，液体表面的漂浮物就可以被拉向表面张力大的方向。基于这一基本原理，已经成功地提出了机器人驱动漂浮装置的物理和化学策略。对于物理的Marangoni效应，利用环境能量，如热和光来改变局部温度，从而产生表面张力梯度。例如，我们之前报道了由漂浮设备上的光热材料组成的光驱动Marangoni驱动器。光照射增加引起的局部温升可以打破表面张力的平衡，并实现可控的驱动，如迁移和旋转。作为一种替代方案，化学Marangoni效应使漂浮机器人的动态推进成为可能。化学“燃料”，如酒精和樟脑酸，被加载在机器人上并逐渐释放，以产生快速驱动的表面张力梯度，类似于隐翅虫的快速移动。例如，Li等人成功地开发了基于对齐中空纤维的化学Marangoni效应，从而实现了一种可以达到22 rad s−1速度的自行游泳机器人。Shi等人通过将刺激响应材料与化学Marangoni效应相结合，成功地演示了智能船在水面上的光响应ON–OFF–ON运动。与采用光功能转换的光热Marangoni效应相比，化学Marangoni推进具有更快的响应速度和更大的驱动力，这在设计自由无栓软机器人方面具有很大的前景。然而，由于复杂的Marangoni流动模式，化学Marangoni推进具有随机运动性。这可能导致不稳定和不可控的二维湍流在液体表面扩散。目前，基于化学Marangoni效应驱动的远程可控移动机器人的开发仍然是一个巨大挑战，严重限制了其在机器人技术中的应用开发。

本研究中，我们报道了仿生超疏水游泳机器人配备微流控通道（T型结和特斯拉阀）和光热腔（基于石墨烯&PDMS的光热复合物空气室）可控Marangoni效应驱动。采用直接激光书写技术(DLW)在石墨烯和聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料上刻写了微流控通道和相互连接的空气室。形成的微流体通道与光热腔相结合，通过光触发开关，控制化学“燃料”的可控释放。因此，通过化学Marangoni效应允许光驱动和可控操作的仿生超疏水游泳机器人被开发出来。通过激光处理制备超疏水表面，显著降低了水阻，进一步提高了推进效率。通过控制多个释放通道中的微流体/空气片段，实现了按需驱动和可编程的游动路线。作为概念验证演示，游泳机器人配备了一个微型数码相机，在可控的Marangoni推进过程中捕捉到实际的湖泊环境。因此，这项研究可以为化学Marangoni机器人的实际应用开辟一条道路。

2结果与讨论

为了提高化学Marangoni效应驱动的可控性，设计并制造了微流体通道和空气注入室来编程释放。图1a显示了甲虫形Marangoni游泳机器人的装置结构。采用由PDMS和机械剥离石墨烯(石墨烯和PDMS)组成的光热聚合物复合材料制备游泳机器人。采用DLW和软光刻相结合的工艺制备了由酒精室、气室和连通通道组成的嵌入式微流控通道。尽管几何形状对游泳行为的影响相对较小，但在这项工作中，我们制造了一个类似昆虫的游泳机器人。这种仿生设计可以促进隐藏在野外的实际应用。图1b,c显示了微通道的截面结构，它由激光处理制成的底部超疏水层、空气室和微流体通道以及透明的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)盖组成。局部温度的升高会使空气膨胀，从而触发醇段的释放(图1c)，从而推动机器人。图1d显示了甲虫形状的Marangoni游泳机器人的照片，长度和宽度分别为≈5.24和3.23 cm。制备了T型结微流体通道，用于酒精和空气段的可控生成。如图1e所示，可以根据光照射量调节风量来控制醇段长度，可以很好地控制醇段长度。此外，为了防止流体回流，在出口通道处制作了一个特斯拉阀(图1f)。因此，醇段只能向出口迁移。光照下，乙醇段在2 s内偏移约4.8 mm。当灯光照明被移除时，酒精段没有立即移动回原来的位置。特斯拉阀虽然不是标准的单向阀，但它能有效地促进前流，抑制回流(图S1)。

图1：a) 隐翅虫仿生游泳机器人结构示意图，主要由微流体通道、空气/酒精室和排出口组成。b)游泳机器人的截面结构;c)光热开关的工作机理。在光线照射下，光热石墨烯和PDMS复合材料可以加热空气室并诱导空气膨胀，从而触发酒精的释放。d)游泳机器人的照片。e)一个典型的T型结微流体通道，显示空气/酒精段的生成。f)显示光照射下空气/酒精段单向输送的特斯拉阀。

为了更好地理解Marangoni效应驱动的动态过程，我们制作了一个单通道游泳机器人，并分析了其酒精释放后的驱动过程(图2a)。根据传统的Marangoni效应驱动理论，Marangoni效应驱动力是由表面张力梯度产生的。在酒精释放后，净力主导机器人的驱动。我们进一步分析位移对时间的相互关系，如图2b所示。它每秒移动约18厘米(视频S1)。移动距离与装载燃料量的关系如图S2所示。当燃料耗尽时，我们必须补充燃料。或者，游泳机器人也可以通过光热Marangoni效应来驱动(图S3)。此外，在有限的环境中，前期酒精的释放可能会增加燃料浓度，从而对游泳行为产生轻微影响。因此，我们测量了一系列不同体积比的酒精-水混合物在PDMS表面的CA(图2c)。随着酒精浓度的增加，CA从纯水的88°逐渐降低到纯酒精的23°。此外，我们还演示了混合物在水面上的扩散(图S4)。随着酒精浓度的增加，漂浮距离增大。当使用酒精-水混合物作为燃料时，机器人的平均速度随着酒精浓度的增加而增加。因此，对机器人驱动力的增加导致了更高的平均速度。特别是推进过程中的平均合力在0.5 s内从0 N(水为燃料)增加到1.1184 mN(纯酒精为燃料)，如图2c(红线)所示。结果表明，随着出口周围酒精浓度的降低，推进力逐渐减小。在一个典型的过程中，当酒精被释放时，形成一个局部的表面张力梯度，这推动了机器人。然而，酒精在水中的扩散是一个自发的过程。当机器人向前游动时，在连续的酒精释放和同时的酒精扩散之间发生了竞争效应。因此，推进力是连续变化的，这进一步依赖于机器人的瞬时速度。我们使用摄像机研究了酒精随时间释放的瞬时速度(图2d)。由于Marangoni效应驱动，速度先是增加，然后下降。瞬时速度呈脉冲式增加，而不是逐渐变化。据我们所知，这种现象还没有报道过。理论上，当驱动力与阻力相等时，游泳机器人可以达到最大速度。但是，仅考虑Marangoni推进力(F′)和粘性阻力(F′)，理论值小于我们的实验结果。在传统的Marangoni效应驱动理论中，强表面活性材料通常具有较高的驱动能力，从而产生较高的加速度和速度。然而，根据报道的结果，使用强表面活性材料作为燃料(硅油，表面张力≈20 dyn cm−1)的游泳机器人表现出较低的驱动性能，因为硅油不溶于水。在这方面，化学势能梯度诱导的溶解和可溶性动力材料的扩散可以被认为是进一步加强Marangoni流的另一个重要因素。在这里，我们称之为水动力。在之前的受力分析中，忽略了燃料扩散产生的水动力。实际上，水动力在某些条件下可能会表现出推进作用。因此，在本研究中，我们从理论上和实验上研究了水动力的影响。如图2e所示，可以清楚地识别出酒精释放和扩散时的阴影。随着装置的推进，酒精的释放不是连续的，这可以通过波纹阴影的干涉模式来证实。为了更好地理解这一动态过程，我们对酒精在水面上的扩散进行了FLUENT模拟(图2f)，其中连续释放两剂量的酒精可以产生相似的酒精分布梯度。最初释放酒精时，酒精浓度≈100%，驱动力最大。因此，船可以达到运动的最大加速度(牛顿第二定律)。当船开始移动时，由于酒精的表面张力，酒精的释放变得不连续。随着燃料浓度的降低，加速度先减小，再增大，直到第二醇段释放。因此，瞬时速度以脉冲方式增加。

图2：a)游泳机器人受力分析示意图。b)游泳机器人计时运动距离，插图为游泳机器人照片(燃料为掺有红色染料的酒精)。c)以乙醇/水混合物为燃料时，酒精/水混合物液滴的接触角与酒精浓度的关系，以及游泳机器人的平均驱动力对酒精浓度的依赖关系。d)游泳机器人在不同时刻的瞬时速度。e)酒精释放诱导推进过程视频截图。红线表示乙醇释放的起始点，波纹表示扩散过程。f)酒精在水面扩散过程的FLUENT模拟。

为了演示驱动能力，我们设计并制造了一个六边形的Marangoni涡轮，它由一个位于中心的蓄水池和六边形六个角上的六个出口组成。当使用纯PDMS制备Marangoni涡轮时，该装置变得透明(图3a)。水滴在表面的CA为88°(图3b)，表明PDMS表面不超疏水。如前所述，推进力主要由来自表面张力梯度的驱动力和来自水的负阻力所决定。为了进一步提高驱动效率，我们通过DLW处理制备了超疏水表面以降低水阻，如图3c所示。激光处理后，由于激光诱导的微/纳米结构和同时碳化，形成了粗糙的黑色表面。协同作用形成超疏水表面，如图3d,e所示。x射线光电子能谱(XPS)证实了激光处理后化学成分的变化(图S5)。激光处理后的PDMS表面的水CA为151°(图3e)，表明具有超疏水性。Marangoni涡轮的表面张力分析如图3f所示。驱动力可以产生顺时针角动量，引起涡轮旋转。为了直接比较超疏水涡轮和传统涡轮，我们使用与燃料相同的酒精量来评估它们的推进力(图3g)。作为对照实验，常规涡轮在0.4s内旋转了72°，而超疏水涡轮由于水阻较低，同时旋转了142°。为了演示超疏水涡轮的运动轨迹，我们从旋转视频中提取了涡轮在不同时间的位移，如图3h(视频S2，支持信息)。涡轮的旋转是非常动态的，运动持续时间≈4分钟。作为对比，这两个涡轮在不同时间的转速如图3i所示。使用等量的酒精作为燃料，转速先升高后降低。超疏水涡轮的最大平均转速≈2.75 rad s−1，是传统涡轮(≈1.34 rad s−1)的两倍以上。因此，使用超疏水表面可以有效地降低水阻力，促进Marangoni驱动。

图3：a)原始PDMS涡轮的照片。b)原始PDMS表面水滴CA, CA为88°。c)超疏水表面DLW过程示意图。插图为激光处理PDMS表面的SEM图像。d)激光处理涡轮的照片。e)激光处理表面水滴，CA为151°。f)涡轮机械力分析示意图。g)原始涡轮和激光处理涡轮旋转对比的视频快照。h)激光处理后涡轮在不同时间的旋转轨迹。i)原始涡轮和激光处理涡轮的转速随时间的依赖关系。

为了解决化学Marangoni驱动机器人的灵活操作问题，我们结合光热材料和微流体来控制Marangoni驱动，使昆虫大小的游泳机器人成为可能。首先，我们用不同石墨烯含量的石墨烯和PDMS复合材料(PDMS/固化剂/石墨烯质量比为100:10:1、100:10:2和100:10:4，图4a)评估光热性能。在100 W的光照(灯丝光)下，三种复合材料的温度随照射时间的增加而升高。石墨烯的存在对其光热性能至关重要。当石墨烯含量增加时，在光线照射下温升(ΔT)增加得更快、更高，因为更多的石墨烯占了更高的光吸收。为了直接比较光热效应，采用红外热像仪显示了光照1.5 min下的温度变化(图4b)。石墨烯含量最高(PDMS/石墨烯质量比为100:4)的复合材料温度最高。考虑到柔软度和柔韧性，石墨烯含量应控制在<30%。

图4：a)石墨烯和PDMS复合材料的温度变化对辐照时间的依赖性。b)不同石墨烯含量的石墨烯和PDMS复合材料的红外热像图。c)空气/酒精段在微通道中通过特斯拉阀传输的示意图。插图是昆虫形状的游泳机器人的照片。d)间歇光照下空气/酒精段的传输距离。e)昆虫仿生机器人在光开关时的瞬时速度变化。f)转弯曲率与出口通道相对位置的关系。g)通过在三个微通道中编程空气/酒精段，实现对游泳机器人运动轨迹的灵活控制。上面的图像是空气/酒精段的方案，下面的图像是游泳机器人的不同运动路线。

为了研究光触发的酒精释放，我们定量分析了微流控通道内酒精段的运输。在排放通道处设计并制造了一个特斯拉阀(图4c)。我们还测量了开灯和关灯时酒精片段的运输距离。当光照射到光热空气室时，在2 s内，酒精段可向出口处移动≈3mm。通过开灯和关灯，酒精段的转运过程呈阶梯状曲线，如图4d (视频S3,)所示。图4e显示了昆虫仿生机器人的速度与光驱动时间的关系。当打开和关闭光源时，可以控制燃料在水面上释放。这样可以很好地控制昆虫机器人的运动速度，说明了热光开关的灵活性。

为了更好地控制推进方向，定量研究了放电通道位置对运动轨迹的影响。图4f显示了转弯半径与放电通道相对位置的关系(记为x2/x1)。通过将通道的相对位置从1.125调整到1.43，可以将转弯曲率从0.247 (cm−1)调制到0.824 (cm−1)。较大的相对位置会导致较小的转弯半径，这种关系进一步取决于游泳机器人的大小。由此可见，排出通道的相对位置和酒精释放量(节段长度)以及空气节段可以协同控制游泳机器人的运动轨迹。在这种情况下，任何想要的运动路线可以通过调整通道位置和酒精/空气段来编程。基于这一基本原理，我们演示了基于三通道游泳机器人的几种运动轨迹，如图4g (视频S4)所示。图4f的插图(上图)说明了三个通道中的酒精/空气段。在光照下，连接到出风口的三个空气室都可以加热。因此，不同通道中的酒精/空气段可以依次释放。通过这种方式，可以对复杂的运动路线进行编程，为Marangoni游泳机器人的可控操作提供可行的科学实验。

以自走式Marangoni游泳机器人为运动平台，进一步集成微型无线摄像机(直径2.8 cm, Kaonuoer, 0KNR-MINI, China)，演示了其在自然环境下的灵活操作和监控过程。图5a显示了装有摄像头的游泳机器人的照片，其中酒精/空气段在通道中的位置显示在插图中。在这项研究中，阳光照射触发了酒精/空气片段的释放，这主导了运动。作为代表性的演示，可以在水面上编程一条“S”形移动轨迹。图5b显示了游泳机器人的实时位置，在8s内沿着“S”轨迹移动了≈40 cm，成功绕过了湖中的障碍物。运动过程如图5c所示。同时，游泳机器人上的无线摄像头捕捉环境图像，并将视频信息发送回研究人员的手机(视频S5)。从传回的视频中可以看出，天空、树木、云层和一只飞行的鸟都可以在1秒内轻松破译(图5c)。因此，由化学Marangoni效应驱动的昆虫仿生游泳机器人可作为军事侦察和水面环境监测的前沿应用的自由无栓运动平台。

图5：a)集成了微型相机的游泳机器人照片。插图是腔室/微通道网络和加载空气/酒精段的方案。b)野外环境下游泳机器人随时间变化的运动轨迹。c)游动机器人自主推进过程的视频快照(下图)和微型摄像机实时拍摄的图像(上图)。

3结论

总之，为了解决化学Marangoni驱动对游泳机器人的可控操纵问题，我们开发了一种由微流体通道和基于石墨烯和PDMS复合材料的光热空气室组成的昆虫级仿生游泳机器人。通过简单的激光处理，形成了超疏水表面，有效地降低了水阻力，并提高了推进力。利用光热空气室作为酒精可控释放开关，实现了游泳机器人的按需推进。通过对微流体通道内的空气/酒精段进行编程，可以以可控的方式精确调整游泳路线，从而实现机器人对自我推进过程的控制。为了演示Marangoni驱动的灵活操作，将一个携带微型摄像机的昆虫大小的仿生游泳机器人在野生湖泊中进行了测试;摄像机录制的视频是通过电信接收的。与报道的化学Marangoni游泳机器人相比，我们的机器人在野外环境和携带设备时可以进行更复杂的操作。本研究为利用化学Marangoni效应驱动技术开发游泳机器人提供了一种新的方案。