探索和收集海洋資源對當今社會發展具有重要意義。廣闊的海洋表面是一個巨大的水-氣界面（air-water interface），高度活躍且伴隨著大量的物質與能量交換。考慮到物質/能源獲取/信號交換的便利性，開發可以固定潛水于水-氣界面的海洋探索裝置，在水資源獲取、能量收集、環境傳感等領域具有很高的價值。
為了適應自然環境，滿足生存需要，生物體進化出獨特的結構與功能。在水-氣界面生存的生物往往都“身懷絕技”，如：可以水上漂的水黽，水上行走的蛇怪蜥蜴，利用彎液面爬行的跳蟲。這些動物在水面上的運動已被廣泛研究，而對潛藏在水面之下的生物運動行為卻鮮見報道。
近期，四川大學化學學院環保型高分子材料國家地方聯合工程實驗室汪秀麗/宋飛教授團隊對仰泳蝽（Notonecta glauca）在水面以下穩定潛水的行為進行了研究，并據此構建了一種可以在水面下特定深度穩定浮潛的仿仰泳蝽潛水器件。
該團隊發現仰泳蝽在水面以下保持穩定姿勢的秘訣在于表面張力、浮力與重力的平衡，即通過親水足產生的表面張力中和自身的正浮力。受到仰泳蝽獨特潛水技能的啟發，作者通過組裝親水框架與密度控制板構建了仿仰泳蝽潛水裝置，其可提供的最大曲率力受到三相線接觸長度、液體介質、親水框架尺寸與表面接觸角所影響，可以自發定位至水-氣界面。由于表面張力-正浮力平衡的設計，器件在不同水環境中均具有穩定的潛水姿態與深度，在界面太陽能蒸發、波浪檢測與波浪能收集等方面表現出良好應用前景。
相比于水上漂的水黽，仰泳蝽就如同其水面下的鏡像對稱，充分展示了大自然的美麗與奇妙。此項工作有助于提升對自然界面現象的理解，對相界面定位、微型潛水機器人、界面光熱蒸發、波浪能收集與傳感等領域的發展提供了新方法和新思路。
圖 1 仰泳蝽的潛水行為。（A）仰泳蝽在水-氣界面下潛水的數碼照片。（B）仰泳蝽將身體保持在水面以下，足部產生彎液面。（C）不同觀察角度下仰泳蝽足部的高速相機照片（左）與建模（右）。（D-E）仰泳蝽的實時浮力監測。
圖 2 仿仰泳蝽潛水器件（BSD）的設計概念與潛水行為。（A）仰泳蝽潛水行為示意圖（左）和BSD設計（右）。（B）BSD幾何參數示意圖。（C） 理論最大曲率力計算。（D）BSD在純水（左）和不同鹽度鹽水（右）中潛水的照片，親水框架處產生了彎液面。（E–G）器件密度與液體環境對BSD潛水行為的影響。（H-I）BSD的穩定潛水行為。
圖 3 器件用于太陽能驅動的海水淡化。（A）仿仰泳蝽太陽能蒸發器（BSSE）與底部加熱式蒸發器和具有毛細芯吸結構的太陽能蒸發器（FSE）對比。（B-C）FSE和BSSE-1在3.5 wt%鹽水、1倍太陽光下的鹽結晶情況。（D）FSE和BSSE-1在不同鹽度鹽水中的太陽能蒸發性能。（E） BSSE與其他類型蒸發器比較的雷達圖。（F）BSSE-1在3.5wt%鹽水中的循環太陽能蒸發性能（每周期4小時）。（G）用BSSE-1進行太陽能脫鹽前后人工海水的離子濃度。
圖 4 器件用于波浪傳感與能量收集。(A) 整合獨立層納米摩擦發電機單元（FTENG）的仿仰泳蝽波浪探測裝置（BSWD）。(B) FTENG原理。 (C-D) 不同波浪高度下FTENG的輸出性能。(E) 不同波浪頻率下FTENG的輸出性能。(F) 輸出電路示意圖。(G) BSWD供電的電容充電曲線。(H) BSWD使用電容器驅動溫濕度計運行。(I) 仿仰泳蝽潛水器件在海洋中的潛在用途示意。
該工作以“Backswimmer-inspired intelligent diving devices for water and wave-energy exploitation in the ocean”為題發表于Matter 上(DOI: 10.1016/j.matt.2023.01.032)，論文第一作者為博士研究生武家民，通訊作者為宋飛教授和汪秀麗教授，該工作得到了國家自然科學基金聯合基金重點項目（U21A2096, U2037206）等項目的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.01.032
