当蒸汽机与机器人结合，会发生什么？

会变成软体蒸汽机！

它以光为驱动，以水为燃料，将光能转化为热能，使水蒸发并推动水面游动。

根据光照强度的变化自动调整游泳姿势，不仅自身无污染，还能处理污水和清理漂浮物！

这是由著名材料学家殷亚东团队开发的一种软体浮游机器人，以水黾为灵感，用蒸汽机原理运动，该文章发表在Science Robotics 上，论文题为《用于自适应振动和仿生游泳的光驱动软体蒸汽机》（Light-poweredsoft steam engines for self-adaptive oscillation and biomimetic swimming）。

光驱动软体蒸汽机：以光为驱动，以水为燃料

光驱动有什么好处呢？

机器人可以不受导线限制，运动更灵活、更自由，运动范围更广泛。

光驱动软体蒸汽机由三层聚合物薄膜组成，自上而下分别为聚酰亚胺、聚丙烯酰胺水凝胶和聚二甲基硅氧烷。

其中，上层的聚酰亚胺的热膨胀系数较小，而最下层的聚二甲基硅氧烷的热膨胀系数较大，两种材料都是疏水性的，使得生成的薄膜能够漂浮在水面上；中间的水凝胶层可用于储藏大量水分、以及包埋四氧化三铁和铜（Fe3O4/Cu）复合纳米棒，该纳米棒能够将光转换成热。

在光的照射下，纳米棒发热，将软体蒸汽机的温度带动起来，由于下层材料的热膨胀系数较高，薄膜会先向上弯曲。

在持续光照下，温度逐渐升高，直到周围的水开始蒸发，研究人员借助高速摄像机，观察到这时在顶层和水凝胶层之间会形成蒸汽泡，使薄膜稍微向下到不平衡状态；然后气泡膨胀到薄膜时，蒸汽被释放，导致薄膜再次恢复到平衡状态，这种连续的蒸汽产生和释放可以在薄膜中产生持续的机械振荡，来驱动软体机器人在水面上的浮游。

主动适应光线强度，自动调整游泳姿势

光游起来还不够，如何让机器人主动响应光线强度的变化呢？

答案就在振动频率上，只要能控制薄膜的振动频率和振幅，就能改变机器人的运动速度和方向。

而振动产生的频率和振幅，取决于蒸汽泡的产生和释放速率，这时即可通过控制光的强度，来改变机器人的振动模式和运动方式。

比如在弱光照射下，蒸汽泡的产生很慢，这时就能观察到间断的、周期性振动；当增加光功率时，蒸汽泡的产生速率也会增加，振动频率也会更快，这样软体机器人就可以响应外界的光强变化，并能主动改变自身振动和浮游运动模式，这突破了很多软体机器人的局限性，为设计可自主适应外界变化的软体机器人提供了新思路。

仿生自适应游泳运动员

基于光驱动软体蒸汽机，研究人员设计了水面浮游机器人，为了让机器人能在水中更有“劲”，他们设计了一个具有120°曲率的半球形致动器，该结构可让机器人的两端深入水面以下汲水，还可把水通过水凝胶层传递到机器人身体中作为 “燃料”，减少热量损失和耗散。

使用激光作为可控的光源，在弱光照射下，机器人的游泳速度呈周期性变化，先加速，然后再减速。

在强光照射下，机器人可快速并匀速游动，最好游泳成绩为 1.3 毫米每秒，相当于大约每分钟 4 个机器人身长，并可在长时间内保持稳定，如果后续进一步增加功率，有望可以实现更快的浮游。

不仅如此，机器人还可以改变游泳方向，使用激光照射头部左侧，机器人可以进行顺时针平稳旋转，通过控制照射位置，还可以实现前进、转弯和后退，并有望在弯曲、狭窄的管道内探索。

未来，机器人的“第四层”可处理污水

这项研究的通讯作者，殷亚东，是世界顶尖的材料科学家，目前是美国加州大学河滨分校终身教授。

殷亚东团队的李志伟博士是该文章的第一作者，他表示：“我们的动机是让软机器人具有可持续性，并能够自行适应环境的变化。如果使用阳光作为动力，这台机器是可持续的，不需要额外的能源，也可以重复使用。”

光驱动的软薄膜也有不少，但还没有诞生过像软体蒸汽机这样能够实现的可调节的周期性振动，这是控制机器人发挥作用的关键。

机器人的当前版本只有三层，研究团队未来会增加第四层，可以吸收油或其他化学物质，去清理水面的原油泄漏，或携带化学催化剂，当它在水面自由浮游时，就能净化污染水体，如果以太阳光作为能量源，它可实现持续工作，并且无需额外操控。

他们还想尝试更精确地控制其振荡模式，并赋予其进行更复杂运动的能力。

参考链接：https://doi.org/10.1126/scirobotics.abi4523

来源：著名华人科学家研发光驱动「软体浮游机器人」，有望处理水面污染物-机器人大讲堂