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  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(cè)和連續(xù)監(jiān)測(cè)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(duì)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。現(xiàn)有水生機(jī)器人通常功能單一，僅能滿足運(yùn)動(dòng)或簡(jiǎn)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(cè)需求。

圖1. 水體信息自主感知型氣凝膠機(jī)器人設(shè)計(jì)

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。

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

圖4. 水上機(jī)器人實(shí)現(xiàn)水質(zhì)自主檢測(cè)

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(duì)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(cè)（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(duì)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(hào)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(duì)生物信息的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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

  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(yè)：https://www.x-mol.com/groups/xiong_jiaqing