“我們(men)沙地里，潮汛(xun)要來的時候，就有許(xu)多(duo)跳魚兒只(zhi)是(shi)跳，都有青蛙似的兩個(ge)腳……”，這是(shi)魯迅先生的散文《故鄉(xiang)》中少(shao)年閏土提(ti)到的鄉(xiang)下稀奇事。

師法自然(ran)(ran)，神奇(qi)的(de)(de)(de)大自然(ran)(ran)總(zong)能給人們靈感，推(tui)動(dong)科學(xue)(xue)技術的(de)(de)(de)進(jin)步。你能想象到嗎？宇(yu)宙飛(fei)船的(de)(de)(de)座艙(cang)(cang)里有一種(zhong)小型的(de)(de)(de)氣(qi)體分析儀，用來檢(jian)測艙(cang)(cang)內氣(qi)體成分，這(zhe)竟然(ran)(ran)是從令人厭惡的(de)(de)(de)蒼蠅身上得(de)到的(de)(de)(de)啟發(fa)；還有根據蝙(bian)蝠超聲定(ding)位器的(de)(de)(de)原理研制的(de)(de)(de)“雷達探(tan)路儀”；模(mo)仿動(dong)物(wu)爪子設計的(de)(de)(de)起重機掛鉤(gou)等，這(zhe)些發(fa)明(ming)創造(zao)都離不開仿生學(xue)(xue)。

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這次(ci)，彈涂(tu)魚(yu)又(you)給了科(ke)學(xue)家什么樣的靈感？科(ke)學(xue)家又(you)創造出了什么呢？

一、彈涂魚是什么魚？

魯(lu)迅(xun)先生提到(dao)青蛙似(si)的跳魚(yu)(yu)兒其實(shi)是(shi)彈涂(tu)魚(yu)(yu)，體長50-90毫米，廣泛(fan)分布于(yu)香港(gang)(gang)、臺灣和(he)東南亞等地，是(shi)一種暖(nuan)溫性近岸小型(xing)魚(yu)(yu)類，喜(xi)棲息于(yu)河(he)口、港(gang)(gang)灣、紅樹(shu)林區之(zhi)咸淡(dan)水域和(he)沿(yan)岸的淺(qian)水區以及(ji)在底(di)質為淤泥(ni)、泥(ni)沙的灘(tan)涂(tu)處，性喜(xi)穴居，因(yin)性善跳也(ye)叫跳跳魚(yu)(yu)、泥(ni)牛(niu)、灘(tan)涂(tu)虎等。

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 彈(dan)涂魚圓鼓鼓的(de)(de)眼睛(jing)長在頭頂，可(ke)(ke)以遠距離(li)發現食(shi)物和天(tian)敵。與一般(ban)生活在水(shui)中(zhong)的(de)(de)普通魚類(lei)不同(tong)，它們(men)不但(dan)可(ke)(ke)以在水(shui)中(zhong)用鰓呼吸(xi)(xi)(xi)，歡暢地(di)遨游；還可(ke)(ke)以通過皮膚(fu)表層(ceng)以及口腔、鰓腔內壁上分布著的(de)(de)毛細血管網來吸(xi)(xi)(xi)收氧氣，為它們(men)在陸地(di)生存提供必要(yao)條件。如果(guo)你看到彈(dan)涂魚張著嘴發呆，那它多半是在使(shi)用這種“另類(lei)呼吸(xi)(xi)(xi)法”。

每年4至9月份是(shi)彈涂魚最為活躍的(de)季節，如果(guo)你(ni)在(zai)(zai)海(hai)濱城市，就可以時常看到(dao)它(ta)們(men)在(zai)(zai)淺(qian)灘中(zhong)歡(huan)快跳躍的(de)身(shen)影(ying)，不過你(ni)可能很難想象，它(ta)們(men)并不是(shi)在(zai)(zai)覓食，這些“翩翩起舞”的(de)雄性彈涂魚實際上是(shi)在(zai)(zai)吸引異性的(de)注意，以完成種類的(de)繁衍。

彈涂魚(yu)(yu)的跳躍行為得益于它們(men)十分發達的胸鰭(qi)、腹鰭(qi)肌肉組織的完(wan)美配合(he)，跳躍時魚(yu)(yu)鰭(qi)張(zhang)開如同(tong)小型的“旗(qi)魚(yu)(yu)”一般驚(jing)艷(yan)。當然它們(men)也可以借助腹部的魚(yu)(yu)鰭(qi)，靈活(huo)快(kuai)速地在泥濘中(zhong)“游走”，躲避天敵的捕食(shi)。

二、仿生學帶來的科技創新

自然(ran)生(sheng)(sheng)物(wu)有(you)機(ji)體(ti)通過自主反饋(kui)和(he)有(you)效(xiao)的(de)運(yun)動策(ce)(ce)略表現出獨特(te)的(de)能力，如蚯蚓爬行、魚的(de)游(you)動和(he)跳躍等，以(yi)更(geng)好地適(shi)應(ying)復雜多(duo)變的(de)生(sheng)(sheng)活環境。生(sheng)(sheng)物(wu)有(you)機(ji)體(ti)的(de)動態適(shi)應(ying)性(xing)激發(fa)了(le)科(ke)學家們尋(xun)找類似的(de)運(yun)動策(ce)(ce)略來開(kai)發(fa)生(sheng)(sheng)物(wu)仿生(sheng)(sheng)機(ji)器(qi)人。但大多(duo)數驅動器(qi)功(gong)(gong)能單(dan)一、應(ying)用(yong)場景有(you)限，嚴重影響(xiang)其進一步開(kai)發(fa)和(he)利用(yong)，因此(ci)研發(fa)出適(shi)用(yong)于(yu)多(duo)場景應(ying)用(yong)、多(duo)功(gong)(gong)能驅動的(de)響(xiang)應(ying)性(xing)驅動器(qi)件具有(you)重要意義。

彈涂魚具(ju)有陸地爬行、水中游泳、泥中跳(tiao)躍的(de)獨特特征，是一(yi)種具(ju)有多場景適應能(neng)(neng)力和(he)多功能(neng)(neng)驅(qu)動(dong)行為的(de)魚類。受彈涂魚啟發，中國科學院(yuan)蘭州化(hua)學物理研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)所固體潤(run)滑國家重點實驗室表面與界面研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)團隊開發了一(yi)種能(neng)(neng)對各種環境做出響應的(de)智能(neng)(neng)光驅(qu)動(dong)器。

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三、為什么光照射下，仿彈涂魚驅動膜可以在水面游動？

光以可控(kong)和連(lian)續的方式提供無線驅(qu)動和遠程操(cao)縱(zong)的獨特優勢,同(tong)時，光致驅(qu)動器可在不同(tong)的機制下工作，如光化學、光熱效應(ying)、光電轉換等，這也使得光響應(ying)材料(liao)的制備(bei)成為非常(chang)有前(qian)景的研究領域。

研(yan)究人員(yuan)研(yan)制的(de)(de)驅動薄膜(mo)(mo)中(zhong)具有光(guang)熱效應極好的(de)(de)氧化石墨烯（GO）材料，可將光(guang)能轉換(huan)成熱能，當光(guang)照射漂浮于水(shui)面上(shang)的(de)(de)驅動薄膜(mo)(mo)時，薄膜(mo)(mo)會(hui)產生一定(ding)的(de)(de)溫度并傳遞(di)給周圍的(de)(de)液體，造成局部水(shui)溫升高進而影響(xiang)水(shui)的(de)(de)表面張(zhang)力。

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言歸(gui)正傳，大(da)家一定(ding)迫(po)不(bu)及待想(xiang)要知道溫度和水(shui)的(de)表面張(zhang)力之間究竟存在什(shen)么聯系(xi)？原來，不(bu)同(tong)溫度的(de)水(shui)的(de)表面張(zhang)力是不(bu)一樣(yang)的(de)，當水(shui)的(de)溫度升高時表面張(zhang)力會變小，反之亦然。

所以(yi)，光照射驅(qu)動(dong)薄(bo)膜一(yi)側(ce)后，被(bei)照射區(qu)(qu)域周圍液體(ti)(ti)升溫，造成(cheng)表(biao)(biao)面(mian)張(zhang)力(li)變(bian)小，但是沒(mei)有光照射的(de)(de)區(qu)(qu)域液體(ti)(ti)的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)張(zhang)力(li)卻并沒(mei)有發生(sheng)改變(bian)。那(nei)么薄(bo)膜的(de)(de)兩側(ce)就(jiu)會因為表(biao)(biao)面(mian)張(zhang)力(li)大小的(de)(de)不同產生(sheng)作用(yong)力(li)，驅(qu)動(dong)薄(bo)膜向表(biao)(biao)面(mian)張(zhang)力(li)大的(de)(de)一(yi)側(ce)游動(dong)。就(jiu)像我們都玩過的(de)(de)拔河一(yi)樣，繩(sheng)子會移(yi)向力(li)大的(de)(de)一(yi)邊。水的(de)(de)這(zhe)種特性也被(bei)科學(xue)家成(cheng)為“馬蘭戈尼”效(xiao)應。

四、如何控制仿彈涂魚驅動膜游動的方向？

高效精準地控制薄膜游(you)動(dong)的(de)(de)方向需要大(da)量的(de)(de)實驗嘗試，大(da)家(jia)都知道輪船(chuan)通(tong)常是(shi)兩(liang)頭尖尖的(de)(de)形狀，這種形狀可以有(you)效地減(jian)小船(chuan)體受到的(de)(de)水的(de)(de)阻力，而我們的(de)(de)液(ye)面游(you)動(dong)裝置也需要通(tong)過合理的(de)(de)設計以達到人為可控操作。

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通過實驗探索發現三角形的驅動(dong)薄膜(mo)(mo)在光照射底(di)邊可(ke)以(yi)很(hen)快游動(dong)，但卻存在方向性不可(ke)控(kong)的缺(que)陷。要使其(qi)可(ke)完成液面直線游動(dong)、轉彎、自旋(xuan)轉等操(cao)作，三角形薄膜(mo)(mo)顯然難以(yi)辦到。

薄(bo)膜(mo)直線方向(xiang)的(de)不可(ke)控性究其(qi)原因是頭部角度(du)過于尖銳，將其(qi)裁成梯(ti)形(xing)形(xing)狀，在犧牲(sheng)掉一點點速度(du)的(de)情況下可(ke)以使(shi)薄(bo)膜(mo)行駛(shi)直線也未(wei)嘗不可(ke)。這(zhe)樣(yang)我們只需要將光(guang)照射在底(di)邊(bian)的(de)中(zhong)心(xin)位置，就(jiu)可(ke)以實現薄(bo)膜(mo)的(de)直線運動，這(zhe)樣(yang)做還有一個好處就(jiu)是對(dui)梯(ti)形(xing)較短的(de)底(di)邊(bian)進行光(guang)照，還可(ke)以使(shi)薄(bo)膜(mo)完成后(hou)退(tui)的(de)操作。

前進后(hou)退解決之后(hou)，就(jiu)該考慮薄膜在遇到彎(wan)道時的(de)轉(zhuan)彎(wan)問題，如何做到薄膜在向前游(you)動(dong)的(de)同時方向還可以轉(zhuan)變呢？通過(guo)計算薄膜轉(zhuan)彎(wan)時合力的(de)方向，我們很快就(jiu)設計出分力所(suo)存在的(de)位置，于是(shi)在梯形的(de)基礎上裁掉一塊梯形面積后(hou)，通過(guo)照射特定(ding)的(de)部位就(jiu)可以實現(xian)各類(lei)游(you)動(dong)行為。

五、仿彈涂魚驅動膜竟然可以跳躍？

光刺(ci)激下驅(qu)動器可以在極短的響應時間（400 ms）內從液體(ti)介質(zhi)跳越到空(kong)氣中，最高速度為(wei)2 m/s，高度可達14.3 cm。

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光(guang)驅動器(qi)件的跳躍行為的原因其(qi)實很簡單，前(qian)面提到GO具有光(guang)熱效應(ying)，當薄(bo)膜存在于(yu)液(ye)體介質(zhi)中時，光(guang)照使其(qi)彎曲(qu)變形的同(tong)時，藏匿于(yu)氧化(hua)石(shi)墨烯(xi)層間的空氣(qi)(qi)會受熱從(cong)中溢(yi)出而形成(cheng)(cheng)小氣(qi)(qi)泡。這些(xie)小氣(qi)(qi)泡數量會逐漸增多并(bing)(bing)相互(hu)融(rong)合成(cheng)(cheng)大(da)(da)氣(qi)(qi)泡，當大(da)(da)氣(qi)(qi)泡內外壓力(li)差到達一定(ding)值后，氣(qi)(qi)泡破裂，并(bing)(bing)產生巨(ju)大(da)(da)的推動力(li)驅使薄(bo)膜突然(ran)從(cong)液(ye)體中跳躍進(jin)空氣(qi)(qi)。

研究人員以彈(dan)涂魚(yu)為靈(ling)感(gan)，所(suo)研制的(de)驅(qu)動(dong)(dong)薄膜可以像彈(dan)涂魚(yu)一樣具(ju)備在(zai)空氣介(jie)(jie)質中彎(wan)曲(qu)、空氣/液體界面(mian)游動(dong)(dong)、液體介(jie)(jie)質跳躍等行(xing)為。這種兼具(ju)多(duo)功(gong)能驅(qu)動(dong)(dong)行(xing)為和多(duo)場景應(ying)(ying)用(yong)(yong)特性(xing)的(de)驅(qu)動(dong)(dong)器對光響(xiang)應(ying)(ying)材料(liao)的(de)簡單(dan)模塊(kuai)化結合具(ju)有重要意(yi)義(yi)，對仿生驅(qu)動(dong)(dong)器的(de)進一步開發和在(zai)微(wei)型機器人、傳(chuan)感(gan)器和響(xiang)應(ying)(ying)性(xing)運動(dong)(dong)等領域的(de)應(ying)(ying)用(yong)(yong)具(ju)有一定的(de)參考(kao)和借鑒價值。

自(zi)然界(jie)的(de)(de)(de)生(sheng)物蘊含著最偉(wei)大(da)的(de)(de)(de)發明靈感，而(er)科學與技術的(de)(de)(de)發展離不開人們(men)(men)對自(zi)然的(de)(de)(de)學習。隨著知識的(de)(de)(de)積(ji)累，人類利用自(zi)然、改造自(zi)然的(de)(de)(de)能力越(yue)(yue)來越(yue)(yue)強(qiang)，一個(ge)個(ge)仿生(sheng)科技逐漸步(bu)入我(wo)們(men)(men)的(de)(de)(de)生(sheng)活中(zhong)，推動了社會(hui)的(de)(de)(de)進步(bu)。在此呼吁熱愛科學的(de)(de)(de)你和我(wo)一起走進自(zi)然，駐足(zu)芳(fang)林，從大(da)自(zi)然中(zhong)尋找靈感，探索自(zi)然的(de)(de)(de)奧秘，創造新(xin)科技。

出品：科普中國

作者(zhe)：向陽陽（中國(guo)科學院蘭州化學物理研究所）

監制：中國(guo)科普博(bo)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.