蝶泳蛙泳自由泳，總之進(jìn)水之后，便也重獲新生了。但自古以來，關(guān)于水，我們最期望解鎖的還是下面這種姿勢(shì)—輕功水上漂。但除了武俠小說，至今這種功夫也只是神話吧。

 

　　人類想法設(shè)法辦不到的，自然界的某些動(dòng)物卻有與生俱來的本領(lǐng)。

　　像這種雙冠蜥，挺著傲嬌的腦袋，邁著滑稽的步伐在水上飛奔而過，簡(jiǎn)直羨煞旁人。這種類似于特異功能的絕技，人類自身做不到，但是我們可以模仿他們研發(fā)類似的機(jī)器人。

 

　　水黽

 

　　兩年前，南韓首爾大學(xué)和美國(guó)哈佛大學(xué)魏斯仿生工程研究院，在大名鼎鼎的《Science》上發(fā)表了一篇文章，他們深入透徹的研究了水黽的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，研究了一款可以在水上行走，跳躍的仿生機(jī)器人。

　　這架體重只有68毫克、身長(zhǎng)僅有2公分的微型機(jī)器，卻有著4條足足有5公分的腿。雖然密度遠(yuǎn)大于水，卻能穩(wěn)穩(wěn)停在水面上，而且彈跳的最高垂直加速可達(dá) 14 g，離開水面時(shí)最高峰速則可達(dá)每秒1.6米，讓這架機(jī)器人能夠從水面跳起達(dá) 14.2 厘米高，超過自體身長(zhǎng) 7 倍，完美重現(xiàn)自然界水黽的跳躍實(shí)力。

　　那么問題來了，水黽和這個(gè)微型仿生機(jī)器人是如何擁有此等超能力的呢？這得益于三點(diǎn)：1、水的表面張力；2、水黽全身的疏水性絨毛；3、腿部的特殊結(jié)構(gòu)。

 

 

　　1

　　液體具有表面張力，它的每一個(gè)分子都會(huì)在各自方向上受到臨近分子的吸引力與排斥力（吸引力為主），在液體內(nèi)部這些力是可以完全抵消的，但與空氣接觸的液體由于只受到朝向液體內(nèi)部的吸引力，而促使它們更加緊密的結(jié)合在一起，有的甚至被壓到水面以下，使液體的表面積收縮，形成張力，并對(duì)外部的壓力有一定的抗拒力。

　　因?yàn)橛斜砻鎻埩Φ拇嬖冢瑥乃堫^上滴下來的水底才會(huì)是聚集在一起成類似的圓形；我們小學(xué)就知道的毛細(xì)現(xiàn)象也得益于液體的表面張力。當(dāng)然，最重要的是，表面張力允許了比他密度大的物體漂浮在液體上面。比如，如果擺放姿勢(shì)正確，比水密度大很多的針都能漂浮在水面上。更何況有著特殊結(jié)構(gòu)的水黽和仿生機(jī)器人呢。

 

　　

       疏水性絨毛

　　2

 

　　小時(shí)候喜歡玩荷葉，摘一個(gè)大大的荷葉再在上面灑一把水，看著水珠在上面滾來滾去，感覺特別神奇。長(zhǎng)大后才知道，原來是因?yàn)楹扇~表面有一層疏水性的結(jié)構(gòu)，結(jié)合水的表面張力，就造就了下面這種奇觀。

　　大自然很厲害，讓很多生物具有這種疏水結(jié)構(gòu)，荷葉具有疏水性，使得它有“自清潔”的功能，也成就了它“出淤泥而不染”的美名。水黽的全身也具有疏水性，從而避免破壞水的表面張力，能更輕松的在水面行走。

 

　　科學(xué)家們也對(duì)這種疏水性非常好奇，它們通過各種手段研究疏水材料，它們甚至可以利用超疏水性的材料，制造“水往高處流”的“超疏水泵”。當(dāng)然，仿生水黽機(jī)器人的腿部，也涂上了類似的超疏水的納米材料。

 

　　特殊結(jié)構(gòu)

 

　　3

 

　　要說水黽的結(jié)構(gòu)，最特殊的就是它的大長(zhǎng)腿，長(zhǎng)腿使它與水面的接觸面積很狹長(zhǎng)，完美的將本就不大的重力分散開。從水面上跳躍時(shí)，它的4 只腿會(huì)采用「漸進(jìn)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(shí)，其腿部還會(huì)往內(nèi)收合，以盡可能增加接觸水面的時(shí)間，這麼做能夠提升它向上的推力達(dá) 42% 之多。

　　仿生水黽機(jī)器人參照水黽的真實(shí)比例，腿部末端的「腳趾」處呈彎曲狀，仿照跳蚤腿部設(shè)計(jì)的力矩翻轉(zhuǎn)彈射（torque reversal catapult）跳躍機(jī)制，會(huì)逐漸增加腿部的往下的施力，總之，一切都仿照的非常完美。

 

　　雖然，發(fā)表在《Science》上的是哈佛大學(xué)的團(tuán)隊(duì)，但最早仿照水黽，研發(fā)出水上漂機(jī)器人的其實(shí)是我們哈工大的團(tuán)隊(duì)。他們?cè)缭?012年的時(shí)候，便制作了一個(gè)仿生機(jī)器人，可以漂浮在水面上，并且向前滑行。在這里給哈工大點(diǎn)個(gè)贊。

　

當(dāng)然仿生只是第一步，科學(xué)家們期望的，是通過仿生研制出可以完成復(fù)雜任務(wù)的水面機(jī)器人，像水黽機(jī)器人那樣，可以做一個(gè)集群，散布于河川海洋來監(jiān)控生態(tài)和水質(zhì)，也可以協(xié)助緊急救災(zāi)搜尋，甚至可以用在軍事上當(dāng)“間諜”，總之，它會(huì)朝著更不可思議的方向發(fā)展。