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2025-09-27 0
《科学进展》：新颖的薄膜制造技术让机器人可以在水上行走
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2025年09月27日 19:56 2
admin
信息来源：https://techxplore.com/news/2025-09-technique-robots.html
弗吉尼亚大学工程团队开发的革命性薄膜制造技术正在重新定义软机器人的可能性边界。他们创造的HydroSpread工艺能够直接在液体表面制造超薄柔性薄膜，彻底解决了传统制造工艺中薄膜转移时的损坏问题。基于这一技术突破，研究人员成功开发出两款能在水面行走的仿生机器人原型，为水质监测、搜救行动和环境感知等应用领域开辟了全新的技术路径。
传统的柔性薄膜制造工艺需要在刚性基底上进行加工，然后小心翼翼地转移到目标环境中。这种工艺不仅复杂耗时，更重要的是在转移过程中极易造成薄膜破损或功能失效。HydroSpread技术的创新之处在于完全颠覆了这一传统流程，实现了液体聚合物墨水在水面的直接沉积和扩散，形成无缝的超薄薄膜结构。
这项发表在《科学进展》杂志上的研究展示了两个引人注目的应用实例：HydroFlexor采用鳍状推进机制在水面滑行，而HydroBuckler则模仿水黾等昆虫的屈曲运动模式实现水面行走。两种设备都依赖于双层薄膜结构的热响应特性，当外部红外热源激活时，不同材料层的差异化膨胀产生弯曲变形，从而驱动机器人运动。
仿生学原理与工程实现的完美结合
液体行走设备的应用演示。图片来源：Science Advances （2025）。DOI：10.1126/sciadv.ady9840
水黾等昆虫在水面行走的能力长期以来吸引着科学家的关注。这些生物利用表面张力和特殊的腿部结构实现在液体表面的稳定支撑和灵活移动。弗吉尼亚大学研究团队深入研究了这些自然机制，并将其转化为可工程化实现的技术方案。
HydroFlexor的设计灵感来源于鱼类和海洋哺乳动物的游泳方式。其鳍状结构通过周期性的弯曲运动产生推进力，在水面形成类似于游泳的运动模式。这种设计特别适合需要持续移动和较大覆盖范围的应用场景，如大面积水域的环境监测。
相比之下，HydroBuckler采用了更接近昆虫运动模式的设计策略。通过模仿水黾的腿部运动，该设备能够实现更精确的位置控制和方向变换。这种运动方式虽然速度相对较慢，但在精确操作和局部探测方面具有独特优势。
两种设计方案的成功都依赖于HydroSpread技术提供的高质量薄膜基础。这些薄膜不仅需要具备足够的机械强度来支撑设备重量，还要保持极高的柔韧性以实现复杂的变形运动。更重要的是，薄膜材料必须与水有良好的界面相容性，确保设备能够稳定地漂浮在水面而不被润湿。
制造工艺的技术革新
HydroSpread工艺的核心创新在于液体聚合物墨水的表面展开机制。研究团队通过精确控制墨水的粘度、表面张力和固化速率，实现了均匀薄膜的自发形成。这一过程完全在液体表面进行，避免了传统工艺中基底分离和薄膜转移的复杂步骤。
激光加工技术在这一工艺中发挥了关键作用。通过激光直写系统，研究人员能够在已固化的薄膜上精确切割出复杂的几何图案，包括机器人的腿部结构、驱动器位置和连接部件。这种直接加工方式不仅提高了制造精度，还大大缩短了从设计到成品的制造周期。
双层薄膜结构的制备是整个工艺的技术难点之一。两种不同材料需要在液体表面依次沉积，并形成稳定的层间结合。研究团队通过优化材料配方和固化条件，实现了层间界面的良好结合，同时保持了各层材料的独特性能特征。
热驱动机制的实现依赖于材料的热膨胀系数差异。通过选择具有不同热膨胀特性的聚合物材料，研究人员创造出了对温度变化高度敏感的驱动系统。当红外光照射时，薄膜局部温度升高，材料的差异化膨胀产生弯曲力矩，从而实现机器人的运动控制。
应用前景与产业化潜力
这项技术的应用潜力远超出了实验室演示的范围。在环境监测领域，水面机器人可以部署传感器阵列，实时监测水质参数、污染物分布和生态系统健康状况。相比传统的固定监测站或大型监测船只，这种微型机器人具有成本低、覆盖面广、部署灵活等显著优势。
搜救应用是另一个极具前景的领域。在洪水、海难等紧急情况下，小型水面机器人可以快速部署到危险区域，搜寻被困人员或收集现场信息。它们的小尺寸和低功耗特性使其能够在恶劣环境中长时间工作，为救援行动提供关键支持。
军事和安防应用也展现出巨大潜力。水面机器人可以用于边境巡逻、港口安全检查或敌方水域侦察。其低可探测性和长续航能力使其成为理想的隐蔽侦察平台。
除了机器人应用，HydroSpread技术本身在其他领域也具有广阔的应用前景。在生物医学领域，这一技术可用于制造超薄的可穿戴传感器和药物释放系统。在电子工业中，直接液面制造工艺可能为柔性显示器、可穿戴设备和物联网传感器的大规模生产提供新的解决方案。
目前，研究团队正在与多家公司探讨技术转化和产业化合作。初步的市场分析显示,水质监测和环境传感市场对这类技术有着强烈需求。预计在未来5-10年内，基于HydroSpread技术的商业产品将逐步进入市场。
技术的可扩展性是产业化的关键因素。HydroSpread工艺适用于多种墨水体系和液体环境，这为大规模生产奠定了基础。研究团队正在开发自动化的生产设备，旨在实现从实验室工艺到工业化生产的平稳过渡。
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