“我們沙地里，潮汛要來的時候，就有許多跳魚兒只是跳，都有青蛙似的兩個腳……”，這是魯迅先生的散文《故鄉(xiāng)》中少年閏土提到的鄉(xiāng)下稀奇事。

師法自然，神奇的大自然總能給人們靈感，推動科學(xué)技術(shù)的進步。你能想象到嗎？宇宙飛船的座艙里有一種小型的氣體分析儀，用來檢測艙內(nèi)氣體成分，這竟然是從令人厭惡的蒼蠅身上得到的啟發(fā)；還有根據(jù)蝙蝠超聲定位器的原理研制的“雷達探路儀”；模仿動物爪子設(shè)計的起重機掛鉤等，這些發(fā)明創(chuàng)造都離不開仿生學(xué)。

圖片來源：veer圖庫

這次，彈涂魚又給了科學(xué)家什么樣的靈感？科學(xué)家又創(chuàng)造出了什么呢？

一、彈涂魚是什么魚？

魯迅先生提到青蛙似的跳魚兒其實是彈涂魚，體長50-90毫米，廣泛分布于香港、臺灣和東南亞等地，是一種暖溫性近岸小型魚類，喜棲息于河口、港灣、紅樹林區(qū)之咸淡水域和沿岸的淺水區(qū)以及在底質(zhì)為淤泥、泥沙的灘涂處，性喜穴居，因性善跳也叫跳跳魚、泥牛、灘涂虎等。

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彈涂魚圓鼓鼓的眼睛長在頭頂，可以遠距離發(fā)現(xiàn)食物和天敵。與一般生活在水中的普通魚類不同，它們不但可以在水中用鰓呼吸，歡暢地遨游；還可以通過皮膚表層以及口腔、鰓腔內(nèi)壁上分布著的毛細(xì)血管網(wǎng)來吸收氧氣，為它們在陸地生存提供必要條件。如果你看到彈涂魚張著嘴發(fā)呆，那它多半是在使用這種“另類呼吸法”。

每年4至9月份是彈涂魚最為活躍的季節(jié)，如果你在海濱城市，就可以時常看到它們在淺灘中歡快跳躍的身影，不過你可能很難想象，它們并不是在覓食，這些“翩翩起舞”的雄性彈涂魚實際上是在吸引異性的注意，以完成種類的繁衍。

彈涂魚的跳躍行為得益于它們十分發(fā)達的胸鰭、腹鰭肌肉組織的完美配合，跳躍時魚鰭張開如同小型的“旗魚”一般驚艷。當(dāng)然它們也可以借助腹部的魚鰭，靈活快速地在泥濘中“游走”，躲避天敵的捕食。

二、仿生學(xué)帶來的科技創(chuàng)新

自然生物有機體通過自主反饋和有效的運動策略表現(xiàn)出獨特的能力，如蚯蚓爬行、魚的游動和跳躍等，以更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的生活環(huán)境。生物有機體的動態(tài)適應(yīng)性激發(fā)了科學(xué)家們尋找類似的運動策略來開發(fā)生物仿生機器人。但大多數(shù)驅(qū)動器功能單一、應(yīng)用場景有限，嚴(yán)重影響其進一步開發(fā)和利用，因此研發(fā)出適用于多場景應(yīng)用、多功能驅(qū)動的響應(yīng)性驅(qū)動器件具有重要意義。

彈涂魚具有陸地爬行、水中游泳、泥中跳躍的獨特特征，是一種具有多場景適應(yīng)能力和多功能驅(qū)動行為的魚類。受彈涂魚啟發(fā)，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點實驗室表面與界面研究團隊開發(fā)了一種能對各種環(huán)境做出響應(yīng)的智能光驅(qū)動器。

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三、為什么光照射下，仿彈涂魚驅(qū)動膜可以在水面游動？

光以可控和連續(xù)的方式提供無線驅(qū)動和遠程操縱的獨特優(yōu)勢,同時，光致驅(qū)動器可在不同的機制下工作，如光化學(xué)、光熱效應(yīng)、光電轉(zhuǎn)換等，這也使得光響應(yīng)材料的制備成為非常有前景的研究領(lǐng)域。

研究人員研制的驅(qū)動薄膜中具有光熱效應(yīng)極好的氧化石墨烯（GO）材料，可將光能轉(zhuǎn)換成熱能，當(dāng)光照射漂浮于水面上的驅(qū)動薄膜時，薄膜會產(chǎn)生一定的溫度并傳遞給周圍的液體，造成局部水溫升高進而影響水的表面張力。

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言歸正傳，大家一定迫不及待想要知道溫度和水的表面張力之間究竟存在什么聯(lián)系？原來，不同溫度的水的表面張力是不一樣的，當(dāng)水的溫度升高時表面張力會變小，反之亦然。

所以，光照射驅(qū)動薄膜一側(cè)后，被照射區(qū)域周圍液體升溫，造成表面張力變小，但是沒有光照射的區(qū)域液體的表面張力卻并沒有發(fā)生改變。那么薄膜的兩側(cè)就會因為表面張力大小的不同產(chǎn)生作用力，驅(qū)動薄膜向表面張力大的一側(cè)游動。就像我們都玩過的拔河一樣，繩子會移向力大的一邊。水的這種特性也被科學(xué)家成為“馬蘭戈尼”效應(yīng)。

四、如何控制仿彈涂魚驅(qū)動膜游動的方向？

高效精準(zhǔn)地控制薄膜游動的方向需要大量的實驗嘗試，大家都知道輪船通常是兩頭尖尖的形狀，這種形狀可以有效地減小船體受到的水的阻力，而我們的液面游動裝置也需要通過合理的設(shè)計以達到人為可控操作。

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通過實驗探索發(fā)現(xiàn)三角形的驅(qū)動薄膜在光照射底邊可以很快游動，但卻存在方向性不可控的缺陷。要使其可完成液面直線游動、轉(zhuǎn)彎、自旋轉(zhuǎn)等操作，三角形薄膜顯然難以辦到。

薄膜直線方向的不可控性究其原因是頭部角度過于尖銳，將其裁成梯形形狀，在犧牲掉一點點速度的情況下可以使薄膜行駛直線也未嘗不可。這樣我們只需要將光照射在底邊的中心位置，就可以實現(xiàn)薄膜的直線運動，這樣做還有一個好處就是對梯形較短的底邊進行光照，還可以使薄膜完成后退的操作。

前進后退解決之后，就該考慮薄膜在遇到彎道時的轉(zhuǎn)彎問題，如何做到薄膜在向前游動的同時方向還可以轉(zhuǎn)變呢？通過計算薄膜轉(zhuǎn)彎時合力的方向，我們很快就設(shè)計出分力所存在的位置，于是在梯形的基礎(chǔ)上裁掉一塊梯形面積后，通過照射特定的部位就可以實現(xiàn)各類游動行為。

五、仿彈涂魚驅(qū)動膜竟然可以跳躍？

光刺激下驅(qū)動器可以在極短的響應(yīng)時間（400 ms）內(nèi)從液體介質(zhì)跳越到空氣中，最高速度為2 m/s，高度可達14.3 cm。

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光驅(qū)動器件的跳躍行為的原因其實很簡單，前面提到GO具有光熱效應(yīng)，當(dāng)薄膜存在于液體介質(zhì)中時，光照使其彎曲變形的同時，藏匿于氧化石墨烯層間的空氣會受熱從中溢出而形成小氣泡。這些小氣泡數(shù)量會逐漸增多并相互融合成大氣泡，當(dāng)大氣泡內(nèi)外壓力差到達一定值后，氣泡破裂，并產(chǎn)生巨大的推動力驅(qū)使薄膜突然從液體中跳躍進空氣。

研究人員以彈涂魚為靈感，所研制的驅(qū)動薄膜可以像彈涂魚一樣具備在空氣介質(zhì)中彎曲、空氣/液體界面游動、液體介質(zhì)跳躍等行為。這種兼具多功能驅(qū)動行為和多場景應(yīng)用特性的驅(qū)動器對光響應(yīng)材料的簡單模塊化結(jié)合具有重要意義，對仿生驅(qū)動器的進一步開發(fā)和在微型機器人、傳感器和響應(yīng)性運動等領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的參考和借鑒價值。

自然界的生物蘊含著最偉大的發(fā)明靈感，而科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展離不開人們對自然的學(xué)習(xí)。隨著知識的積累，人類利用自然、改造自然的能力越來越強，一個個仿生科技逐漸步入我們的生活中，推動了社會的進步。在此呼吁熱愛科學(xué)的你和我一起走進自然，駐足芳林，從大自然中尋找靈感，探索自然的奧秘，創(chuàng)造新科技。

出品：科普中國

作者：向陽陽（中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

參考文獻：

Yangyang Xiang,Bo Yu*,Feng Zhou*,et al.,Toward a Multifunctional Light-Driven Biomimetic Mudskipper-Like Robot for Various Application Scenarios,ACS Applied Materials&Interfaces,2022,14(17),20291–20302.