清华大学在生物表面/界面力学研究领域取得新进展
近日，清华大学田煜教授课题组在生物表面/界面力学研究领域取得新进展，提出了通过阴影法来在线测量水黾及水蜘蛛等水上行走昆虫的多条腿上的浮力的方法，为机械表面/界面的仿生设计与制造奠定了理论与技术基础。
田煜教授
2016年10月17日，Applied Physics Letters以封面文章和推荐文章（Featured Article）发表了清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室田煜教授课题组的研究成果“Three-dimensional topographies of water surface dimples formed by superhydrophobic water strider legs”（水黾腿与水界面弯液面的三维结构）。
该研究提出通过阴影法来在线测量水黾及水蜘蛛等水上行走昆虫的多条腿上的浮力的方法，为机械表面/界面的仿生设计与制造奠定了理论与技术基础。
水黾利用其腿的超疏水特性，能够在水面上停留、快速滑行和跳跃。虽然国内外学者普遍认同，根据改进的阿基米德定律（updated Archimedes principle），水黾腿排开水的重量等于其所受的浮力，但是在实验上还从来未能对其各条腿上的浮力进行过同步在线测量。
水黾腿上力的同步测量。a.自然条件下的水黾；b.水黾腿压弯的水面；c.实验室得到的水黾腿的阴影；d.同步测试得到的各条水黾腿上的浮力。
田煜研究组提出，根据光的折射原理，光线在水黾腿压弯的空气/水界面处发生更大角度的折射，从而将水黾腿阴影放大并在阴影边缘形成亮环，根据水黾腿的阴影可以重建弯曲水面的三维形状，从而计算出水黾腿排开水的体积和腿受到的浮力。
在随后以“Elegant shadow making tiny force visible for water-walking arthropod and updated Archimedes' principle”（基于阿基米德原理的阴影法测量作用在水上行走昆虫腿上的微小力）为题发表在Langmuir 2016, 32, 10522-10528上的文章中，将阴影法测得结果与用电子天平称量水黾的结果进行对比分析，发现测量误差小于5%，证明了该阴影方法的有效性，并发现腿上的浮力与其阴影面积近似成正比关系，浮力的测量分辨率可以达到nN~pN/pixel。
研究还将阴影测量力的原理拓展到微小表面力测量，得到了接触时间对单根头发与硅橡胶表面之间的粘附力的影响规律。这种阴影方法还可以用于在线测量和分析其它水上行走昆虫（水蜘蛛、水蝽等）运动中的力学行为，从而可为仿生微型水上机器人的设计与控制提供参考。
相关研究成果被美国物理学会（AIP）、美国化学学会（ACS）进行了专题报道，随后被美国科学促进会（AAAS）、美国每日科学（ScienceDaily）和世界科技研究新闻资讯网（PHYS.org）等多家著名科技新闻杂志或网站报道和转载。研究得到了国家自然科学基金项目51425502和51323006的资助。
本文相关内容整理自清华大学机械工程系网站。
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