探索和收集海洋資源對當今社會發(fā)展具有重要意義。廣闊的海洋表面是一個巨大的水-氣界面（air-water interface），高度活躍且伴隨著大量的物質與能量交換？紤]到物質/能源獲取/信號交換的便利性，開發(fā)可以固定潛水于水-氣界面的海洋探索裝置，在水資源獲取、能量收集、環(huán)境傳感等領域具有很高的價值。
為了適應自然環(huán)境，滿足生存需要，生物體進化出獨特的結構與功能。在水-氣界面生存的生物往往都“身懷絕技”，如：可以水上漂的水黽，水上行走的蛇怪蜥蜴，利用彎液面爬行的跳蟲。這些動物在水面上的運動已被廣泛研究，而對潛藏在水面之下的生物運動行為卻鮮見報道。
近期，四川大學化學學院環(huán)保型高分子材料國家地方聯(lián)合工程實驗室汪秀麗/宋飛教授團隊對仰泳蝽（Notonecta glauca）在水面以下穩(wěn)定潛水的行為進行了研究，并據(jù)此構建了一種可以在水面下特定深度穩(wěn)定浮潛的仿仰泳蝽潛水器件。
該團隊發(fā)現(xiàn)仰泳蝽在水面以下保持穩(wěn)定姿勢的秘訣在于表面張力、浮力與重力的平衡，即通過親水足產(chǎn)生的表面張力中和自身的正浮力。受到仰泳蝽獨特潛水技能的啟發(fā)，作者通過組裝親水框架與密度控制板構建了仿仰泳蝽潛水裝置，其可提供的最大曲率力受到三相線接觸長度、液體介質、親水框架尺寸與表面接觸角所影響，可以自發(fā)定位至水-氣界面。由于表面張力-正浮力平衡的設計，器件在不同水環(huán)境中均具有穩(wěn)定的潛水姿態(tài)與深度，在界面太陽能蒸發(fā)、波浪檢測與波浪能收集等方面表現(xiàn)出良好應用前景。
相比于水上漂的水黽，仰泳蝽就如同其水面下的鏡像對稱，充分展示了大自然的美麗與奇妙。此項工作有助于提升對自然界面現(xiàn)象的理解，對相界面定位、微型潛水機器人、界面光熱蒸發(fā)、波浪能收集與傳感等領域的發(fā)展提供了新方法和新思路。
圖 1 仰泳蝽的潛水行為。（A）仰泳蝽在水-氣界面下潛水的數(shù)碼照片。（B）仰泳蝽將身體保持在水面以下，足部產(chǎn)生彎液面。（C）不同觀察角度下仰泳蝽足部的高速相機照片（左）與建模（右）。（D-E）仰泳蝽的實時浮力監(jiān)測。
圖 2 仿仰泳蝽潛水器件（BSD）的設計概念與潛水行為。（A）仰泳蝽潛水行為示意圖（左）和BSD設計（右）。（B）BSD幾何參數(shù)示意圖。（C） 理論最大曲率力計算。（D）BSD在純水（左）和不同鹽度鹽水（右）中潛水的照片，親水框架處產(chǎn)生了彎液面。（E–G）器件密度與液體環(huán)境對BSD潛水行為的影響。（H-I）BSD的穩(wěn)定潛水行為。
圖 3 器件用于太陽能驅動的海水淡化。（A）仿仰泳蝽太陽能蒸發(fā)器（BSSE）與底部加熱式蒸發(fā)器和具有毛細芯吸結構的太陽能蒸發(fā)器（FSE）對比。（B-C）FSE和BSSE-1在3.5 wt%鹽水、1倍太陽光下的鹽結晶情況。（D）FSE和BSSE-1在不同鹽度鹽水中的太陽能蒸發(fā)性能。（E） BSSE與其他類型蒸發(fā)器比較的雷達圖。（F）BSSE-1在3.5wt%鹽水中的循環(huán)太陽能蒸發(fā)性能（每周期4小時）。（G）用BSSE-1進行太陽能脫鹽前后人工海水的離子濃度。
圖 4 器件用于波浪傳感與能量收集。(A) 整合獨立層納米摩擦發(fā)電機單元（FTENG）的仿仰泳蝽波浪探測裝置（BSWD）。(B) FTENG原理。 (C-D) 不同波浪高度下FTENG的輸出性能。(E) 不同波浪頻率下FTENG的輸出性能。(F) 輸出電路示意圖。(G) BSWD供電的電容充電曲線。(H) BSWD使用電容器驅動溫濕度計運行。(I) 仿仰泳蝽潛水器件在海洋中的潛在用途示意。
該工作以“Backswimmer-inspired intelligent diving devices for water and wave-energy exploitation in the ocean”為題發(fā)表于Matter 上(DOI: 10.1016/j.matt.2023.01.032)，論文第一作者為博士研究生武家民，通訊作者為宋飛教授和汪秀麗教授，該工作得到了國家自然科學基金聯(lián)合基金重點項目（U21A2096, U2037206）等項目的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.01.032
