“粉色视频网站沙地裏，潮汛要來的時候，就有許多跳魚兒隻是跳，都有青蛙似的兩個腳……”，這是魯迅先生的散文《故鄉》中少年閏土提到的鄉下稀奇事。

師法自然，神奇的大自然總能給人們靈感，推動科學技術的進步。你能想象到嗎？宇宙飛船的座艙裏有一種小型的氣體分析儀，用來檢測艙內氣體成分，這竟然是從令人厭惡的蒼蠅身上得到的啟發；還有根據蝙蝠超聲定位器的原理研製的“雷達探路儀”；模仿動物爪子設計的起重機掛鉤等，這些發明創造都離不開仿生學。

圖片來源：veer圖庫

這次，彈塗魚又給了科學家什麽樣的靈感？科學家又創造出了什麽呢？

一、彈塗魚是什麽魚？

魯迅先生提到青蛙似的跳魚兒其實是彈塗魚，體長50-90毫米，廣泛分布於香港、台灣和東南亞等地，是一種暖溫性近岸小型魚類，喜棲息於河口、港灣、紅樹林區之鹹淡水域和沿岸的淺水區以及在底質為淤泥、泥沙的灘塗處，性喜穴居，因性善跳也叫跳跳魚、泥牛、灘塗虎等。

圖片來源：veer圖庫

彈塗魚圓鼓鼓的眼睛長在頭頂，可以遠距離發現食物和天敵。與一般生活在水中的普通魚類不同，它們不但可以在水中用鰓呼吸，歡暢地遨遊；還可以通過皮膚表層以及口腔、鰓腔內壁上分布著的毛細血管網來吸收氧氣，為它們在陸地生存提供必要條件。如果你看到彈塗魚張著嘴發呆，那它多半是在使用這種“另類呼吸法”。

每年4至9月份是彈塗魚最為活躍的季節，如果你在海濱城市，就可以時常看到它們在淺灘中歡快跳躍的身影，不過你可能很難想象，它們並不是在覓食，這些“翩翩起舞”的雄性彈塗魚實際上是在吸引異性的注意，以完成種類的繁衍。

彈塗魚的跳躍行為得益於它們十分發達的胸鰭、腹鰭肌肉組織的完美配合，跳躍時魚鰭張開如同小型的“旗魚”一般驚豔。當然它們也可以借助腹部的魚鰭，靈活快速地在泥濘中“遊走”，躲避天敵的捕食。

二、仿生學帶來的科技創新

自然生物有機體通過自主反饋和有效的運動策略表現出獨特的能力，如蚯蚓爬行、魚的遊動和跳躍等，以更好地適應複雜多變的生活環境。生物有機體的動態適應性激發了科學家們尋找類似的運動策略來開發生物仿生機器人。但大多數驅動器功能單一、應用場景有限，嚴重影響其進一步開發和利用，因此研發出適用於多場景應用、多功能驅動的響應性驅動器件具有重要意義。

彈塗魚具有陸地爬行、水中遊泳、泥中跳躍的獨特特征，是一種具有多場景適應能力和多功能驅動行為的魚類。受彈塗魚啟發，中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室表麵與界麵研究團隊開發了一種能對各種環境做出響應的智能光驅動器。

圖片來源：作者自製

三、為什麽光照射下，仿彈塗魚驅動膜可以在水麵遊動？

光以可控和連續的方式提供無線驅動和遠程操縱的獨特優勢,同時，光致驅動器可在不同的機製下工作，如光化學、光熱效應、光電轉換等，這也使得光響應材料的製備成為非常有前景的研究領域。

研究人員研製的驅動薄膜中具有光熱效應極好的氧化石墨烯（GO）材料，可將光能轉換成熱能，當光照射漂浮於水麵上的驅動薄膜時，薄膜會產生一定的溫度並傳遞給周圍的液體，造成局部水溫升高進而影響水的表麵張力。

圖片來源：作者自製

言歸正傳，大家一定迫不及待想要知道溫度和水的表麵張力之間究竟存在什麽聯係？原來，不同溫度的水的表麵張力是不一樣的，當水的溫度升高時表麵張力會變小，反之亦然。

所以，光照射驅動薄膜一側後，被照射區域周圍液體升溫，造成表麵張力變小，但是沒有光照射的區域液體的表麵張力卻並沒有發生改變。那麽薄膜的兩側就會因為表麵張力大小的不同產生作用力，驅動薄膜向表麵張力大的一側遊動。就像粉色视频网站都玩過的拔河一樣，繩子會移向力大的一邊。水的這種特性也被科學家成為“馬蘭戈尼”效應。

四、如何控製仿彈塗魚驅動膜遊動的方向？

高效精準地控製薄膜遊動的方向需要大量的實驗嚐試，大家都知道輪船通常是兩頭尖尖的形狀，這種形狀可以有效地減小船體受到的水的阻力，而粉色视频网站的液麵遊動裝置也需要通過合理的設計以達到人為可控操作。

圖片來源：作者自製

通過實驗探索發現三角形的驅動薄膜在光照射底邊可以很快遊動，但卻存在方向性不可控的缺陷。要使其可完成液麵直線遊動、轉彎、自旋轉等操作，三角形薄膜顯然難以辦到。

薄膜直線方向的不可控性究其原因是頭部角度過於尖銳，將其裁成梯形形狀，在犧牲掉一點點速度的情況下可以使薄膜行駛直線也未嚐不可。這樣粉色视频网站隻需要將光照射在底邊的中心位置，就可以實現薄膜的直線運動，這樣做還有一個好處就是對梯形較短的底邊進行光照，還可以使薄膜完成後退的操作。

前進後退解決之後，就該考慮薄膜在遇到彎道時的轉彎問題，如何做到薄膜在向前遊動的同時方向還可以轉變呢？通過計算薄膜轉彎時合力的方向，粉色视频网站很快就設計出分力所存在的位置，於是在梯形的基礎上裁掉一塊梯形麵積後，通過照射特定的部位就可以實現各類遊動行為。

五、仿彈塗魚驅動膜竟然可以跳躍？

光刺激下驅動器可以在極短的響應時間（400 ms）內從液體介質跳越到空氣中，最高速度為2 m/s，高度可達14.3 cm。

圖片來源：作者自製

光驅動器件的跳躍行為的原因其實很簡單，前麵提到GO具有光熱效應，當薄膜存在於液體介質中時，光照使其彎曲變形的同時，藏匿於氧化石墨烯層間的空氣會受熱從中溢出而形成小氣泡。這些小氣泡數量會逐漸增多並相互融合成大氣泡，當大氣泡內外壓力差到達一定值後，氣泡破裂，並產生巨大的推動力驅使薄膜突然從液體中跳躍進空氣。

研究人員以彈塗魚為靈感，所研製的驅動薄膜可以像彈塗魚一樣具備在空氣介質中彎曲、空氣/液體界麵遊動、液體介質跳躍等行為。這種兼具多功能驅動行為和多場景應用特性的驅動器對光響應材料的簡單模塊化結合具有重要意義，對仿生驅動器的進一步開發和在微型機器人、傳感器和響應性運動等領域的應用具有一定的參考和借鑒價值。

自然界的生物蘊含著最偉大的發明靈感，而科學與技術的發展離不開人們對自然的學習。隨著知識的積累，人類利用自然、改造自然的能力越來越強，一個個仿生科技逐漸步入粉色视频网站的生活中，推動了社會的進步。在此呼籲熱愛科學的你和我一起走進自然，駐足芳林，從大自然中尋找靈感，探索自然的奧秘，創造新科技。

出品：科普中國

作者：向陽陽（中國科學院蘭州化學物理研究所）

監製：中國科普博覽

參考文獻：

Yangyang Xiang,Bo Yu*,Feng Zhou*,et al.,Toward a Multifunctional Light-Driven Biomimetic Mudskipper-Like Robot for Various Application Scenarioses,ACS Applied Materials&Interfaces,2022,14(17),20291–20302.