東華大學(xué)/中科院北京納米能源所 ACS Energy Lett.：自推進(jìn)水上機(jī)器人實(shí)現(xiàn)水體環(huán)境自主感知
水污染已成為全球性環(huán)境問題，關(guān)乎社會(huì)生產(chǎn)安全和人類生命健康。利用水生機(jī)器人實(shí)現(xiàn)水體信息的主動(dòng)探測和連續(xù)監(jiān)測有望構(gòu)建智能水生態(tài)系統(tǒng)，有助于提升水環(huán)境治理。理想的水生機(jī)器人，應(yīng)具備主動(dòng)利用環(huán)境能量、感知水體信息并實(shí)現(xiàn)信息反饋的能力，這有利于建立人-機(jī)-環(huán)境間的實(shí)時(shí)信息交互，對促進(jìn)智能水生生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展有重要意義，F(xiàn)有水生機(jī)器人通常功能單一，僅能滿足運(yùn)動(dòng)或簡單信息傳感，無法有效協(xié)同水上運(yùn)動(dòng)、能量收集和主動(dòng)傳感能力，難以滿足水生環(huán)境動(dòng)態(tài)/連續(xù)監(jiān)測需求。
近日，東華大學(xué)熊佳慶研究團(tuán)隊(duì)提出并證實(shí)一種可自主監(jiān)測水體信息的水上機(jī)器人。作者開發(fā)了一種超輕/疏水/高電負(fù)性氣凝膠，利用并行電極陣列放大連續(xù)固-液界面摩擦電效率，結(jié)合Marangoni自推動(dòng)效應(yīng)和固-液生電自能量傳感機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了水上機(jī)器的自主推進(jìn)、電能采集和水體信息主動(dòng)感知。區(qū)別于目前間歇性液-固接觸/分離的摩擦電機(jī)制，該工作揭示了一種普適性的連續(xù)滑行固-液生電傳感機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主利用環(huán)境能量并進(jìn)行信息獲取/環(huán)境交互提供了一種有效途徑，對構(gòu)建不同規(guī)模智能水生生態(tài)系統(tǒng)有重要啟發(fā)。相關(guān)研究成果以“Self-Propelled Nanocellulose Aerogel Eco-Robots for Self-Powered Aquatic Environment Perception”為題發(fā)表在《ACS Energy Letters》上。論文第一作者為東華大學(xué)博士生張紀(jì)偉、吳夢婕，通訊作者為東華大學(xué)熊佳慶教授、俞建勇院士和中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士。該工作得到國家自然科學(xué)基金委（52103254, 52273244）等項(xiàng)目的資助。
圖1. 水體信息自主感知型氣凝膠機(jī)器人設(shè)計(jì)
受利用Marangoni效應(yīng)實(shí)現(xiàn)水上快速運(yùn)動(dòng)的隱翅蟲啟發(fā)，作者設(shè)想實(shí)現(xiàn)一種Marangoni驅(qū)動(dòng)的小型超輕機(jī)器人，可以協(xié)同水上自主運(yùn)動(dòng)和自能量傳感能力，主動(dòng)利用環(huán)境能量進(jìn)行水生信息感知（圖1）。為此，作者開發(fā)了一種改性納米纖維素氣凝膠（TCPP），同步實(shí)現(xiàn)了低密度（93 mg cm-3）、穩(wěn)定疏水性（接觸角149.5°）和超高負(fù)表面電勢（-1722.8 V）；通過配置具有Marangoni效應(yīng)的微型燃料泵，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人水上自主可控運(yùn)動(dòng)；利用并行模式圖案化電極陣列放大固-液界面連續(xù)摩擦生電效應(yīng)，賦予了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)同步感知水體信息（例如離子鹽、染料和有機(jī)物等雜質(zhì)、魚等生物）的能力。這一系統(tǒng)設(shè)計(jì)確保了機(jī)器人水上穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，同時(shí)激發(fā)固-液界面連續(xù)產(chǎn)電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)水上自供電及水體信息同步檢測。
圖2. 水上機(jī)器人的連續(xù)運(yùn)動(dòng)固-液界面產(chǎn)電機(jī)制
作者首先通過在機(jī)器人尾部水面注射定量Marangoni燃料，為TCPP氣凝膠機(jī)器人設(shè)置了一種水上間歇運(yùn)動(dòng)模式，用于研究其運(yùn)動(dòng)產(chǎn)電機(jī)制（圖2）。該機(jī)器人在間歇運(yùn)動(dòng)中的產(chǎn)電過程由三個(gè)階段構(gòu)成：首先，高電負(fù)性機(jī)器人懸浮在水面時(shí)，與水之間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移并誘導(dǎo)建立初始雙電層（EDL）；然后，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，水中電荷的動(dòng)態(tài)遷移會(huì)破壞初始EDL并誘導(dǎo)電子從地面流向機(jī)器人電極；當(dāng)機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，固-液界面處會(huì)形成一個(gè)新的EDL，該EDL在機(jī)器人退回到初始位置過程中會(huì)被打破，誘導(dǎo)電子從機(jī)器人電極流向地面。因此，間歇運(yùn)動(dòng)過程中該機(jī)器人的產(chǎn)電機(jī)理可歸因?yàn)楣?/span>-液界面處EDL的周期性破壞與重建導(dǎo)致的電荷轉(zhuǎn)移。
基于此，作者系統(tǒng)研究了機(jī)器人的幾何形狀（方形、圓形、舟形）、滑行角度（與電極陣列夾角為0°、45°、90°）以及電極陣列圖案（平行、同心方形、同心圓形）對產(chǎn)電效率的影響。結(jié)果表明，舟形機(jī)器人具高更高的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，且運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)器人的電壓輸出高度依賴于電極的有效面積，具有同心方形電極陣列的水上機(jī)器人沿45°運(yùn)動(dòng)時(shí)可最大化電極有效面積，達(dá)到最大電學(xué)輸出，具有同心圓形電極陣列的機(jī)器人電學(xué)輸出則幾乎不受運(yùn)動(dòng)方向影響。作者還研究了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和氣凝膠材料對電壓輸出的影響，結(jié)果表明具有低密度和高電負(fù)性的超疏水材料有利于實(shí)現(xiàn)水上機(jī)器人高速運(yùn)動(dòng)和較大電學(xué)輸出。該機(jī)器人顯示出優(yōu)異耐用性，在100次連續(xù)間歇運(yùn)動(dòng)后其疏水性、表面電勢和和電學(xué)輸出可維持穩(wěn)定。
圖3. 機(jī)器人水上連續(xù)運(yùn)動(dòng)及同步電學(xué)感知能力
通過在機(jī)器人側(cè)面配置具有Marangoni效應(yīng)的微型燃料泵，作者進(jìn)一步研究了機(jī)器人自主運(yùn)動(dòng)過程中的電信號發(fā)生機(jī)制（圖3）。研究表明，連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的電信號可歸因于機(jī)器人速度突變導(dǎo)致的水中電荷遷移。具體而言，機(jī)器人在水面上持續(xù)滑行時(shí)，界面迅速充電形成飽和的EDL，當(dāng)其發(fā)生瞬時(shí)減速（如遇到障礙物）時(shí)會(huì)破壞固-液界面EDL，引起水中電荷遷移，機(jī)器人電極與地面之間產(chǎn)生電勢差，誘導(dǎo)電子從電極流向地面，從而改變電信號；隨后，機(jī)器人繼續(xù)滑行，瞬時(shí)加速將再次引起電荷遷移，誘導(dǎo)電子從地面流向電極及相應(yīng)電信號變化。因此，電壓的瞬時(shí)變化可視為有效電信號，用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的自主監(jiān)測。此外，水上機(jī)器人的續(xù)航時(shí)間可通過調(diào)節(jié)燃料泵與氣凝膠的質(zhì)量比來實(shí)現(xiàn)，其運(yùn)動(dòng)方向和軌跡可通過改變?nèi)剂媳脭?shù)量和位置來調(diào)控。這種小型水體中的可控自發(fā)運(yùn)動(dòng)為氣凝膠機(jī)器人實(shí)現(xiàn)水體信息的自主動(dòng)態(tài)感知奠定了基礎(chǔ)。
圖4. 水上機(jī)器人實(shí)現(xiàn)水質(zhì)自主檢測
基于對連續(xù)運(yùn)動(dòng)固-液接觸起電機(jī)制的研究與理解，針對傳統(tǒng)水體環(huán)境檢測技術(shù)依賴于昂貴設(shè)備、采樣/測試過程耗時(shí)耗能的不足，作者提出水上機(jī)器人自主利用環(huán)境能量并主動(dòng)感知水體信息的策略（圖4）。其檢測機(jī)理在于不同雜質(zhì)種類/濃度的水體具有不同的表面張力和電荷量，影響機(jī)器人的行進(jìn)速度，形成差異化的輸出電壓。在間歇運(yùn)動(dòng)中，水中無機(jī)鹽、有機(jī)小分子、染料分別產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)、極性降低或吸附效應(yīng)，減小水中的電荷轉(zhuǎn)移和機(jī)器人的電壓輸出。在連續(xù)運(yùn)動(dòng)中，水體中的雜質(zhì)通過屏蔽效應(yīng)抑制氣凝膠底部與水的電荷轉(zhuǎn)移，從而減少機(jī)器人速度突變時(shí)的電荷遷移量和信號變化。通過建立雜質(zhì)濃度與電學(xué)輸出間的量化關(guān)系，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了多種水體污染物（包括無機(jī)物和有機(jī)物）濃度的自主檢測，靈敏度高達(dá)99.6%，顯示出其在水生環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用潛力。
圖5. 熱/聲偽裝水上機(jī)器人感知水生物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)
這類水上機(jī)器人具有熱/聲隱身能力，結(jié)合其對水體信息的自主電學(xué)感知能力，可實(shí)現(xiàn)與水生物的友好互動(dòng)/狀態(tài)監(jiān)測（圖5），例如通過在燃料泵中負(fù)載友好/非友好誘餌實(shí)現(xiàn)對魚群的控制，如吸引、排斥。此外，基于魚群會(huì)影響機(jī)器人與水界面間的電荷轉(zhuǎn)移，水上機(jī)器人可通過電信號變化同步感知魚群狀態(tài)信息（接觸、靠近、遠(yuǎn)離）。利用這一策略有望提升對生物信息的動(dòng)態(tài)監(jiān)測能力，促進(jìn)水生物的智慧管理和智能水生生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。
總結(jié)與展望
本文證實(shí)了一種集“自主推進(jìn)-電能采集-環(huán)境感知”于一體的纖維素氣凝膠水上機(jī)器人。該機(jī)器人通過配置Marangoni燃料泵實(shí)現(xiàn)水面上的連續(xù)推進(jìn)，并利用其水面可控推進(jìn)和并行電極陣列設(shè)計(jì)，進(jìn)行固-液界面連續(xù)摩擦電信號的采集，實(shí)現(xiàn)了水體中無機(jī)鹽、有機(jī)小分子、染料、pH值、魚類運(yùn)動(dòng)等信息的自主檢測。同時(shí)，作者揭示了一種普適性連續(xù)滑行固-液生電傳感機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)水生機(jī)器人自主利用環(huán)境能量進(jìn)行多方面信息獲取/環(huán)境交互提供了一種有益途徑。這種連續(xù)滑行固-液生電傳感機(jī)制也有望服務(wù)于其它水上運(yùn)動(dòng)載體或運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，用于不同水體環(huán)境的化學(xué)與生物信息監(jiān)測，有望為推進(jìn)智能水生生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建和提升人-機(jī)-環(huán)境交互應(yīng)用提供啟發(fā)。
論文信息：J Zhang, M Wu, X Zhou, Z Ming, J Chen, L Zhu, J Yu*, ZL Wang*, J Xiong*, Self-propelled nanocellulose aerogel eco-robots for self-powered aquatic environment perception, ACS Energy Letters, 2024, 9, 4852-4863.
全文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.4c01769
課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/xiong_jiaqing
