四川大学汪秀丽/宋飞教授团队《Matter》：仰泳蝽启发的海水淡化与波浪能收集智能潜水器件

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探索和收集海洋资源对当今社会发展具有重要意义。广阔的海洋表面是一个巨大的水-气界面（air-water interface），高度活跃且伴随着大量的物质与能量交换。考虑到物质/能源获取/信号交换的便利性，开发可以固定潜水于水-气界面的海洋探索装置，在水资源获取、能量收集、环境传感等领域具有很高的价值。

为了适应自然环境，满足生存需要，生物体进化出独特的结构与功能。在水-气界面生存的生物往往都“身怀绝技”，如：可以水上漂的水黾，水上行走的蛇怪蜥蜴，利用弯液面爬行的跳虫。这些动物在水面上的运动已被广泛研究，而对潜藏在水面之下的生物运动行为却鲜见报道。

近期，四川大学化学学院环保型高分子材料国家地方联合工程实验室汪秀丽/宋飞教授团队对仰泳蝽（Notonecta glauca）在水面以下稳定潜水的行为进行了研究，并据此构建了一种可以在水面下特定深度稳定浮潜的仿仰泳蝽潜水器件。

该团队发现仰泳蝽在水面以下保持稳定姿势的秘诀在于表面张力、浮力与重力的平衡，即通过亲水足产生的表面张力中和自身的正浮力。受到仰泳蝽独特潜水技能的启发，作者通过组装亲水框架与密度控制板构建了仿仰泳蝽潜水装置，其可提供的最大曲率力受到三相线接触长度、液体介质、亲水框架尺寸与表面接触角所影响，可以自发定位至水-气界面。由于表面张力-正浮力平衡的设计，器件在不同水环境中均具有稳定的潜水姿态与深度，在界面太阳能蒸发、波浪检测与波浪能收集等方面表现出良好应用前景。

相比于水上漂的水黾，仰泳蝽就如同其水面下的镜像对称，充分展示了大自然的美丽与奇妙。此项工作有助于提升对自然界面现象的理解，对相界面定位、微型潜水机器人、界面光热蒸发、波浪能收集与传感等领域的发展提供了新方法和新思路。

图 1 仰泳蝽的潜水行为。（A）仰泳蝽在水-气界面下潜水的数码照片。（B）仰泳蝽将身体保持在水面以下，足部产生弯液面。（C）不同观察角度下仰泳蝽足部的高速相机照片（左）与建模（右）。（D-E）仰泳蝽的实时浮力监测。

图 2 仿仰泳蝽潜水器件（BSD）的设计概念与潜水行为。（A）仰泳蝽潜水行为示意图（左）和BSD设计（右）。（B）BSD几何参数示意图。（C） 理论最大曲率力计算。（D）BSD在纯水（左）和不同盐度盐水（右）中潜水的照片，亲水框架处产生了弯液面。（E–G）器件密度与液体环境对BSD潜水行为的影响。（H-I）BSD的稳定潜水行为。

图 3 器件用于太阳能驱动的海水淡化。（A）仿仰泳蝽太阳能蒸发器（BSSE）与底部加热式蒸发器和具有毛细芯吸结构的太阳能蒸发器（FSE）对比。（B-C）FSE和BSSE-1在3.5 wt%盐水、1倍太阳光下的盐结晶情况。（D）FSE和BSSE-1在不同盐度盐水中的太阳能蒸发性能。（E） BSSE与其他类型蒸发器比较的雷达图。（F）BSSE-1在3.5wt%盐水中的循环太阳能蒸发性能（每周期4小时）。（G）用BSSE-1进行太阳能脱盐前后人工海水的离子浓度。

图 4 器件用于波浪传感与能量收集。(A) 整合独立层纳米摩擦发电机单元（FTENG）的仿仰泳蝽波浪探测装置（BSWD）。(B) FTENG原理。 (C-D) 不同波浪高度下FTENG的输出性能。(E) 不同波浪频率下FTENG的输出性能。(F) 输出电路示意图。(G) BSWD供电的电容充电曲线。(H) BSWD使用电容器驱动温湿度计运行。(I) 仿仰泳蝽潜水器件在海洋中的潜在用途示意。

该工作以“Backswimmer-inspired intelligent diving devices for water and wave-energy exploitation in the ocean”为题发表于Matter 上(DOI: 10.1016/j.matt.2023.01.032)，论文第一作者为博士研究生武家民，通讯作者为宋飞教授和汪秀丽教授，该工作得到了国家自然科学基金联合基金重点项目（U21A2096, U2037206）等项目的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.01.032

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