Was ist das Besondere an den Robotern, zu deren Entwicklung sich die Wissenschaftler von diesem Fisch inspirieren ließen?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Xiang Yangyang (Lanzhou Institut für Chemische Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

„In unserem sandigen Land gibt es bei Flut viele springende Fische, und sie haben alle zwei Füße wie Frösche …“ Dies ist eine Seltenheit auf dem Land, die der junge Runtu in Herrn Lu Xuns Aufsatz „Heimatstadt“ erwähnt.

Von der Natur lernen. Die magische Natur inspiriert die Menschen stets und fördert den Fortschritt von Wissenschaft und Technik. Können Sie sich das vorstellen? In der Kabine des Raumfahrzeugs befindet sich ein kleiner Gasanalysator, mit dem die Gaszusammensetzung in der Kabine ermittelt werden kann. Die Inspiration dafür stammte eigentlich von den widerlichen Fliegen. Es gibt auch einen „Radar-Pfadfinder“, der auf dem Prinzip der Ultraschallortung von Fledermäusen basiert. Es gibt einen Kranhaken, der Tierkrallen imitieren soll usw. Diese Erfindungen und Kreationen sind untrennbar mit der Bionik verbunden.

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Welche Inspiration gab der Schlammspringer den Wissenschaftlern dieses Mal? Was haben Wissenschaftler geschaffen?

1. Was für eine Fischart ist der Schlammspringer?

Bei dem von Herrn Lu Xun erwähnten froschähnlichen Springfisch handelt es sich eigentlich um einen Schlammspringer, der 50–90 mm lang ist und in Hongkong, Taiwan und Südostasien weit verbreitet ist. Es handelt sich um einen kleinen, in warmen, gemäßigten Küstengebieten lebenden Fisch. Er lebt bevorzugt im Brack- und Süßwasser von Flussmündungen, Häfen, Mangrovengebieten, seichten Gewässern entlang der Küste und Wattflächen mit Schlick- und Sandboden. Er lebt gerne in Höhlen und wird aufgrund seiner Sprungkraft auch Springfisch, Schlammkuh, Watttiger usw. genannt.

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Der Schlammspringer hat hervorstehende Augen auf dem Kopf, mit denen er Nahrung und Raubtiere aus der Ferne erkennen kann. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Fischen, die im Wasser leben, können sie nicht nur mithilfe ihrer Kiemen atmen und unbeschwert im Wasser schwimmen, sondern sie können auch Sauerstoff über das Kapillarnetz aufnehmen, das auf der Oberfläche ihrer Haut und an den Innenwänden ihrer Mund- und Kiemenhöhle verteilt ist, und so die notwendigen Bedingungen für ihr Überleben an Land schaffen. Wenn Sie einen Schlammspringer sehen, der mit offenem Maul ins Leere starrt, verwendet er höchstwahrscheinlich diese „alternative Atemmethode“.

Die aktivste Jahreszeit für Schlammspringer ist jedes Jahr von April bis September. Wenn Sie sich in einer Küstenstadt befinden, können Sie sie oft fröhlich im seichten Wasser herumspringen sehen. Allerdings fällt es Ihnen möglicherweise schwer, sich vorzustellen, dass sie nicht auf Nahrungssuche sind. Diese „tanzenden“ männlichen Schlammspringer ziehen tatsächlich die Aufmerksamkeit des anderen Geschlechts auf sich, um die Fortpflanzung der Art abzuschließen.

Das Sprungverhalten der Schlammspringer beruht auf der perfekten Koordination ihrer hoch entwickelten Brust- und Bauchflossenmuskulatur. Beim Springen sind ihre Flossen ausgebreitet und sie sehen so umwerfend aus wie die eines kleinen „Segelfisches“. Natürlich können sie auch die Flossen an ihrem Hinterleib nutzen, um flexibel und schnell im Schlamm zu „schwimmen“, um der Gefahr durch natürliche Feinde zu entgehen.

2. Technologische Innovationen durch die Bionik

Natürliche biologische Organismen verfügen über einzigartige Fähigkeiten durch autonomes Feedback und effektive Bewegungsstrategien (z. B. Krabbeln von Regenwürmern, Schwimmen und Springen von Fischen usw.), um sich besser an komplexe und sich verändernde Lebensumgebungen anzupassen. Die dynamische Anpassungsfähigkeit biologischer Organismen hat Wissenschaftler dazu inspiriert, nach ähnlichen Fortbewegungsstrategien zu suchen, um biomimetische Roboter zu entwickeln. Allerdings verfügen die meisten Treiber über Einzelfunktionen und begrenzte Anwendungsszenarien, was ihre weitere Entwicklung und Nutzung erheblich beeinträchtigt. Daher ist es von großer Bedeutung, reaktionsschnelle Antriebsgeräte zu entwickeln, die für Anwendungen mit mehreren Szenarien und multifunktionale Antriebe geeignet sind.

Schlammspringer haben die einzigartige Fähigkeit, an Land zu kriechen, im Wasser zu schwimmen und im Schlamm zu springen. Sie sind eine Fischart mit Anpassungsfähigkeit an mehrere Szenarien und multifunktional gesteuertem Verhalten. Inspiriert von Schlammspringern hat das Oberflächen- und Grenzflächenforschungsteam des State Key Laboratory of Solid Lubrication, Institut für Chemische Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Lanzhou, einen intelligenten optischen Aktuator entwickelt, der auf verschiedene Umgebungen reagieren kann.

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3. Warum kann die schlammspringerartige Membran unter Lichteinwirkung auf der Wasseroberfläche schwimmen?

Licht bietet einzigartige Vorteile durch drahtlose Betätigung und Fernmanipulation auf kontrollierbare und kontinuierliche Weise. Gleichzeitig können Photoaktoren nach unterschiedlichen Mechanismen arbeiten, beispielsweise nach der Photochemie, dem photothermischen Effekt, der photoelektrischen Umwandlung usw., was die Herstellung lichtempfindlicher Materialien auch zu einem sehr vielversprechenden Forschungsgebiet macht.

Der von den Forschern entwickelte Antriebsfilm besteht aus Graphenoxid (GO)-Material mit hervorragender photothermischer Wirkung, das Lichtenergie in Wärmeenergie umwandeln kann. Wenn Licht auf den auf der Wasseroberfläche schwimmenden Treibfilm fällt, erzeugt der Film eine bestimmte Temperatur und überträgt sie auf die umgebende Flüssigkeit, wodurch die lokale Wassertemperatur ansteigt und somit die Oberflächenspannung des Wassers beeinflusst wird.

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Um nun auf das Thema zurückzukommen: Sie möchten sicher alle wissen, welcher Zusammenhang zwischen der Temperatur und der Oberflächenspannung von Wasser besteht? Es stellt sich heraus, dass die Oberflächenspannung von Wasser bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedlich ist. Wenn die Temperatur des Wassers steigt, verringert sich die Oberflächenspannung und umgekehrt.

Daher erwärmt sich die Flüssigkeit um den bestrahlten Bereich, nachdem Licht eine Seite des Antriebsfilms bestrahlt hat, wodurch die Oberflächenspannung abnimmt, während sich die Oberflächenspannung der Flüssigkeit im Bereich ohne Lichtbestrahlung nicht ändert. Aufgrund der unterschiedlichen Oberflächenspannungen werden dann auf beiden Seiten des Films Kräfte erzeugt, die den Film dazu zwingen, sich in Richtung der Seite mit der höheren Oberflächenspannung zu bewegen. Genau wie beim Tauziehen, das wir alle schon einmal gespielt haben, bewegt sich das Seil mit größerer Kraft zur Seite. Diese Eigenschaft des Wassers wird von Wissenschaftlern auch als „Marangoni“-Effekt bezeichnet.

4. Wie kann die Richtung der schlammspringerartigen Antriebsmembran gesteuert werden?

Eine effiziente und genaue Steuerung der Bewegungsrichtung der Membran erfordert zahlreiche experimentelle Versuche. Wie wir alle wissen, sind Schiffe an beiden Enden normalerweise spitz zulaufend, was den Wasserwiderstand des Rumpfes wirksam verringern kann. Unser Oberflächenschwimmgerät muss außerdem so konzipiert sein, dass es vom Menschen gesteuert werden kann.

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Durch experimentelle Untersuchungen wurde festgestellt, dass der dreieckige Antriebsfilm schnell schwimmen kann, wenn die Unterkante mit Licht beleuchtet wird, er weist jedoch den Mangel einer unkontrollierbaren Richtungsabhängigkeit auf. Für einen dreieckigen Film ist es offensichtlich schwierig, Vorgänge wie das Schwimmen in einer geraden Linie, das Drehen und Rotieren auf der Flüssigkeitsoberfläche auszuführen.

Der Grund, warum die geradlinige Richtung des Films nicht kontrollierbar ist, liegt darin, dass der Kopfwinkel zu steil ist. Durch das Zuschneiden einer Trapezform kann der Film zwar auf Kosten der Geschwindigkeit geradlinig verlaufen. Auf diese Weise müssen wir nur Licht auf die Mitte der Unterkante richten, um eine lineare Bewegung des Films zu erreichen. Ein weiterer Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass durch die Beleuchtung der kürzeren Unterkante des Trapezes der Film auch die Rückwärtsbewegung vollziehen kann.

Nachdem wir das Problem der Vorwärts- und Rückwärtsbewegung gelöst haben, sollten wir uns mit dem Problem befassen, dass sich der Film dreht, wenn er auf eine Kurve trifft. Wie können wir dafür sorgen, dass der Film beim Vorwärtsschwimmen die Richtung ändert? Durch Berechnung der Richtung der resultierenden Kraft beim Drehen des Films konnten wir schnell die Position der Kraftkomponenten bestimmen. Anschließend können wir, nachdem wir basierend auf dem Trapez einen trapezförmigen Bereich abgeschnitten haben, durch die Bestrahlung bestimmter Teile verschiedene Schwimmverhalten erzielen.

5. Kann die schlammspringerartige Antriebsmembran tatsächlich springen?

Unter Lichtstimulation kann der Aktuator in einer extrem kurzen Reaktionszeit (400 ms) mit einer maximalen Geschwindigkeit von 2 m/s und einer Höhe von bis zu 14,3 cm aus dem flüssigen Medium in die Luft springen.

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Der Grund für das Sprungverhalten lichtbetriebener Geräte ist eigentlich ganz einfach. Wie bereits erwähnt, hat GO einen photothermischen Effekt. Wenn sich der Film in einem flüssigen Medium befindet, wird er durch das Licht gebogen und verformt, und die zwischen den Graphenoxidschichten verborgene Luft tritt aufgrund der Hitze aus und bildet kleine Blasen. Die Anzahl dieser kleinen Blasen wird allmählich zunehmen und zu großen Blasen verschmelzen. Wenn der Druckunterschied zwischen der Innen- und Außenseite der großen Blase einen bestimmten Wert erreicht, platzt die Blase und erzeugt eine enorme Antriebskraft, die den Film plötzlich aus der Flüssigkeit in die Luft springen lässt.

Inspiriert vom Schlammspringer entwickelten die Forscher einen Antriebsfilm, der sich im Luftmedium biegen, an der Luft-/Flüssigkeitsgrenzfläche schwimmen und im flüssigen Medium springen kann, genau wie der Schlammspringer. Dieser Aktuatortyp mit multifunktionalem Antriebsverhalten und multiszenarioübergreifenden Anwendungseigenschaften ist für die einfache modulare Kombination lichtempfindlicher Materialien von großer Bedeutung und hat einen gewissen Bezugs- und Referenzwert für die Weiterentwicklung bionischer Aktuatoren und ihrer Anwendungen in den Bereichen Mikroroboter, Sensoren und reaktionsschnelle Bewegung.

Die Lebewesen in der Natur sind die größte Inspirationsquelle für Erfindungen, und die Entwicklung von Wissenschaft und Technologie ist untrennbar mit dem Studium der Natur durch den Menschen verbunden. Mit der Anhäufung von Wissen wird die Fähigkeit des Menschen, die Natur zu nutzen und umzuwandeln, immer stärker. Bionische Technologien halten nach und nach Einzug in unser Leben und fördern den gesellschaftlichen Fortschritt. Ich möchte Sie, die Sie die Wissenschaft lieben, dazu aufrufen, gemeinsam mit mir in die Natur zu gehen, im duftenden Wald Halt zu machen, sich von der Natur inspirieren zu lassen, die Geheimnisse der Natur zu erforschen und neue Technologien zu entwickeln.

Quellen:

Yangyang Xiang, Bo Yu*, Feng Zhou*, et al., Auf dem Weg zu einem multifunktionalen lichtbetriebenen biomimetischen Schlammspringer-ähnlichen Roboter für verschiedene Anwendungsszenarien, ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, 14(17), 20291–20302.

Originallink: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c03852