Nature Communications｜华中科技大学丁汉院士-吴志刚教授团队成果：昆虫尺度水面推进器_丁汉 nature communication

自然界的生物经过数十亿年的进化和选择，通过其优雅的结构、巧妙的机制和卓越的性能在地球各种环境中取得了空前的成功。这一成功不仅激发了各领域研究人员的灵感，也催生了许多令人兴奋的研究领域和实用产品。在自然界中，有一类隐翅虫（Stenus Comma），当受到天敌威胁时，能够在水面上迅速获得高速度和加速度，从而逃脱危险，如图1。这种行为为昆虫尺度的水面推进器的设计和操控提供了极佳的仿生对象。

图1 隐翅虫迅速逃离天敌的生物行为

研究团队通过系统地解析隐翅虫的跨尺度结构来理解这一现象：i. 在宏观尺度上，隐翅虫拥有柔顺灵巧的腹部结构，可用于按需控制活性剂（动力物质）；ii. 在介观尺度上，其非浸润刚毛结构保证了在水面上的稳定运动；iii. 在微观尺度上，大量的导管结构用于液体成分的内部运输。这些跨尺度的结构有助于实现隐翅虫高速、按需的快速驱动行为，如图2。

图2 跨尺度的系统级仿生思路

基于这一想法，研究团队通过引入软体可实时磁驱尾巴、超疏水表面、尾部各项异性的纤维束等结构，并协同的引入了一对额外的解耦的磁驱“定向芯片”。通过跨尺度系统级仿生和人造结构增强构建了一个昆虫尺度水面推进器（Uni-SoPro），如图3所示。它可以实现在单一3D的可编程磁场（三维赫姆霍兹线圈）驱动下，按需实现极高的加速度（8372 BL/s2）、速度（201 BL/s）和减加速度（-5010 BL/s2）的推进和制动行为。该Uni-SoPro昆虫尺度水面推进器实现了类似的隐翅虫紧急情况下高速逃逸行为（视频1）。

图3 昆虫尺度水面推进器及其超高的按需推进和刹车性能