2025年09月16日
星期二
近日，安徽工业大学化学与化工学院功能高分子团队王丹资格副教授与浙江农林大学王大磊副教授、美国加州大学洛杉矶分校贺曦敏教授合作，在基于空化原理的光驱动仿生机器人研究上取得重要研究成果，首次将空化原理应用于仿生执行器领域，相关成果发表在国际顶级期刊《Science》。安工大为论文合作通讯单位，王丹资格副教授为共同通讯作者，这是安工大首次以通讯单位在《Science》发表论文。
图1. 基于光热空化原理的跳跃运动
空化（Cavitation）通常指液体在低压或高温区域产生蒸汽泡的现象，气泡在溃灭瞬间可释放巨大能量，而传统上认为空化具有一定的破坏性，会对水力机械产生空蚀。本研究通过精确调控，利用光照可将空化效应转化为一种高效的动力来源，用于驱动微型执行器与机器人系统。在基于空化效应的高效、爆发式驱动机制下，我们成功展示了其在微型跳跃与游泳机器人以及多种仿生应用中的卓越性能。研究表明，气泡在剧烈溃灭过程中可产生强大反冲驱动力，在808 nm近红外激光（0.357 kW/cm2）照射下，一个毫米尺度（1mm×1mm×0.2mm，质量0.778mg）的高分子复合材料最快的运动速度可达12 m/s，加速度高达7.14×104m/s2，跳跃高度达1.5米，能量转换效率为0.64%。该器件还可实现水面游泳，速度达12 cm/s。
图2. 空化理论分析
基于该机制，研究团队开发了多种场景下的应用展示。游泳机器人：通过激光扫描控制，实现了器件在水面的高速（约12 cm/s）、可导向运动，能够完成复杂迷宫导航与高精度形状匹配装配任务。播种：利用空化成功发射醋酱草种子（距离>0.7 m），发射后种子发芽率未受影响，显示出其对脆弱生物材料的安全输送潜力。抓取：受变色龙舌头启发，研制出微尺度粘性抓取器，可通过发射执行货物检索任务。射流：模仿射水鱼机制，构建了空化动力射流系统，可产生初速约1.8 m/s的连续水射流，有望应用于无针药物注射等领域。
图3. 光驱动智能器件在多种场景下的应用展示
该研究突破了传统弹性驱动与相变驱动在能量密度与释放速率方面的限制，为空化效应的有益利用提供了新途径。这种具有高性能、多刺激响应和强环境适应性的驱动策略，在微型机器人、精密操作、靶向输送与无针注射等领域展示出广阔的应用前景。
论文链接：science.org/doi/10.1126/science.adu8943
新闻链接：https://www.ahut.edu.cn/info/1226/27047.htm
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