機器人解密水黽如何跳走水面
圖片：國立首爾大學跳躍機器人昆蟲在一隻水黽的旁邊。
水黽是一種存在於水面滑行的微小昆蟲，依賴水的表面張力保持著乾燥和快樂。看著牠們在水面移動很酷，思考水面和讓牠們為所欲為的腳趾間的物理現象也挺酷的。水黽也可以跳，因為牠們不破壞水面施力。牠們是怎麼做到的？韓國研究人員建造了機器水黽來找到答案。
據我所知，於2007年我們在美國卡內基梅隆大學奈米機器人實驗室與水黽機器人第一次相遇。在2012年，來自中國哈爾濱工業大學的機器人專家發表了《發想於水黽的微型跳躍機器人》。
牠們的腳由泡沫鎳製成，且雖然機器人只有11克重，但牠可以跳14公分高，相當可觀。
現在，另一組研究人員建造了更令人印象深刻的水黽機器人。國立首爾大學(Seoul National University)和哈佛大學威斯研究所(Harvard’s Wyss Institute)等人在《科學》中發表了一篇論文，描述他們如何結合與仿生水黽相同跳躍能力的設計與規模。
真的水黽是令人驚嘆的跳躍者，從看昆蟲的慢速影片研究人員便可以了解牠們是如何運作。有趣的是，水黽在水上跳躍的高度可與陸地上媲美，這表明牠們在該環境中使用獨特的技術，因為大多數可在水面上跳躍的昆蟲在陸地上跳得更高。水黽的運動同樣基於使用表面張力以保持自己在水面之上，牠們的行為沒有甚麼不同。
水黽的腿內縮並平滑地將水面向下壓以跳躍升高，這要很小心不使水面破裂，事實上水黽的腿的最大作用力低於水面張力所承受的最大力。藉由腿的內縮，昆蟲可把自己推越水面，當它開始跳躍時，它運用達42%的力在水面上。
研究人員根據真實水黽設計一個要模仿此行為的68克機器人(2公分的身體)：電線腿上塗有超疏水塗料、腳趾彎曲向上就像真的昆蟲。而它用來跳躍的「肌肉」是基於跳蚤的腿所仿生的扭力逆轉彈射器(TRC)。當它觸發時，可逐漸增加機器人腿上的扭力，驅使牠們慢慢向下並達到未滿14克的最大垂直加速度。
實驗顯示，機器人以1.6m/s峰值速度離開水面，導致有14.2公分的跳躍高度。動態模型表明，它發揮了水面上140mN/m的張力，剛好在理想值144mN/m的極限之下。機器人在水面跳躍也優於陸地，可能是因為水減幅了腿部震盪，讓跳躍更為有效率。