“我們沙地里，潮汛要來的時(shí)候，就有許多跳魚兒只是跳，都有青蛙似的兩個(gè)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(dòng)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(cè)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(dá)探路儀”；模仿動(dòng)物爪子設(shè)計(jì)的起重機(jī)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(shí)是彈涂魚，體長(zhǎng)50-90毫米，廣泛分布于香港、臺(tái)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(zhǎng)在頭頂，可以遠(yuǎn)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?cè)陉懙厣嫣峁┍匾獥l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(shí)常看到它們?cè)跍\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(shí)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(dá)的胸鰭、腹鰭肌肉組織的完美配合，跳躍時(shí)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(jī)體通過自主反饋和有效的運(yùn)動(dòng)策略表現(xiàn)出獨(dú)特的能力，如蚯蚓爬行、魚的游動(dòng)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(jī)體的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性激發(fā)了科學(xué)家們尋找類似的運(yùn)動(dòng)策略來開發(fā)生物仿生機(jī)器人。但大多數(shù)驅(qū)動(dòng)器功能單一、應(yīng)用場(chǎng)景有限，嚴(yán)重影響其進(jìn)一步開發(fā)和利用，因此研發(fā)出適用于多場(chǎng)景應(yīng)用、多功能驅(qū)動(dòng)的響應(yīng)性驅(qū)動(dòng)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(dú)特特征，是一種具有多場(chǎng)景適應(yīng)能力和多功能驅(qū)動(dòng)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(rùn)滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室表面與界面研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種能對(duì)各種環(huán)境做出響應(yīng)的智能光驅(qū)動(dòng)器。

圖片來源：作者自制

三、為什么光照射下，仿彈涂魚驅(qū)動(dòng)膜可以在水面游動(dòng)？

光以可控和連續(xù)的方式提供無線驅(qū)動(dòng)和遠(yuǎn)程操縱的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),同時(shí)，光致驅(qū)動(dòng)器可在不同的機(jī)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(dòng)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(dòng)薄膜時(shí)，薄膜會(huì)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(jìn)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(shí)表面張力會(huì)變小，反之亦然。

所以，光照射驅(qū)動(dòng)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(huì)因?yàn)楸砻鎻埩Υ笮〉牟煌a(chǎn)生作用力，驅(qū)動(dòng)薄膜向表面張力大的一側(cè)游動(dòng)。就像我們都玩過的拔河一樣，繩子會(huì)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(dòng)膜游動(dòng)的方向？

高效精準(zhǔn)地控制薄膜游動(dòng)的方向需要大量的實(shí)驗(yàn)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(dòng)裝置也需要通過合理的設(shè)計(jì)以達(dá)到人為可控操作。

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通過實(shí)驗(yàn)探索發(fā)現(xiàn)三角形的驅(qū)動(dòng)薄膜在光照射底邊可以很快游動(dòng)，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(dòng)、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(diǎn)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)薄膜的直線運(yùn)動(dòng)，這樣做還有一個(gè)好處就是對(duì)梯形較短的底邊進(jìn)行光照，還可以使薄膜完成后退的操作。

前進(jìn)后退解決之后，就該考慮薄膜在遇到彎道時(shí)的轉(zhuǎn)彎問題，如何做到薄膜在向前游動(dòng)的同時(shí)方向還可以轉(zhuǎn)變呢？通過計(jì)算薄膜轉(zhuǎn)彎時(shí)合力的方向，我們很快就設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)各類游動(dòng)行為。

五、仿彈涂魚驅(qū)動(dòng)膜竟然可以跳躍？

光刺激下驅(qū)動(dòng)器可以在極短的響應(yīng)時(shí)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(dá)14.3 cm。

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光驅(qū)動(dòng)器件的跳躍行為的原因其實(shí)很簡(jiǎn)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(shí)，光照使其彎曲變形的同時(shí)，藏匿于氧化石墨烯層間的空氣會(huì)受熱從中溢出而形成小氣泡。這些小氣泡數(shù)量會(huì)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(dá)一定值后，氣泡破裂，并產(chǎn)生巨大的推動(dòng)力驅(qū)使薄膜突然從液體中跳躍進(jìn)空氣。

研究人員以彈涂魚為靈感，所研制的驅(qū)動(dòng)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(dòng)、液體介質(zhì)跳躍等行為。這種兼具多功能驅(qū)動(dòng)行為和多場(chǎng)景應(yīng)用特性的驅(qū)動(dòng)器對(duì)光響應(yīng)材料的簡(jiǎn)單模塊化結(jié)合具有重要意義，對(duì)仿生驅(qū)動(dòng)器的進(jìn)一步開發(fā)和在微型機(jī)器人、傳感器和響應(yīng)性運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的參考和借鑒價(jià)值。

自然界的生物蘊(yùn)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(duì)自然的學(xué)習(xí)。隨著知識(shí)的積累，人類利用自然、改造自然的能力越來越強(qiáng)，一個(gè)個(gè)仿生科技逐漸步入我們的生活中，推動(dòng)了社會(huì)的進(jìn)步。在此呼吁熱愛科學(xué)的你和我一起走進(jìn)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(xiàn)：

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.