王中林院士ACSNano隐蔽水生微型
由于对水生环境监测，检查和密闭空间探索的需求，水生微型机器人引起了极大的研究兴趣。当前的致动方法严重依赖于由大振幅和高频源提供动力的机械运动，这限制了应用的便携性和隐蔽性。最近，中国科学院北京纳米能量与纳米系统研究所王中林院士团队提出了一种用于水生微型机器人的摩擦电纳米发电机（TENG）-启用电介质上电润湿（EWOD）致动器（TENG-EWA）。圆盘TENG的转移摩擦电荷可替代地改变EWOD执行器的表面能，从而产生毛细波传播。毛细管波的反作用力使微型机器人在水面上启动。对TENG引起的毛细血管波的特性进行了实验分析和理论建模。以最大运动速度1cm/s向前驱动光学透明的微型机器人（重量为0.07g，体长为1cm）。展示了多种运动功能：在硅油/去离子水界面处，海水中机器人净重的3倍负载。此外，微型机器人的运动通过风力驱动的TENG进行了演示，并且在红外摄像头和分贝仪的作用下具有良好的隐蔽性能。拟议的水生TENG-Bot不仅显示了将环境能量转换为微型机器人的驱动力的潜力，而且还揭示了光学，声波和红外隐藏的优势。
水生TENG-BOT和驱动机制
概念图如图1所示。水生TENG-Bot由一个独立式模式盘TENG，一个浮动部件和一个EWOD执行器（EWA）组成。圆盘TENG由丙烯酸基底，一对图案化的铜电极，商用FEP（氟化乙烯和丙烯）膜和丙烯酸覆盖物形成。将电极热沉积到丙烯酸基材上，然后将商用FEP膜粘贴到丙烯酸盖上。在操作过程中，丙烯酸基板被固定，电极作为定子工作。丙烯酸罩盖与步进电动机的杆连接，并用作转子。图1的插图中显示了已组装的圆盘TENG。EWA（宽度2厘米，高度0.8厘米）粘贴在浮动部件的船尾。图1的插图显示了已组装的水生TENG-Bot的俯视图和侧视图。EWA由旋涂和固化的TeflonAF溶液，湿蚀刻的ITO（氧化铟锡）涂层的PET板组成，以及连接线。透明的PET基材和特氟龙涂层确保光学遮盖性能。ITO电极的湿蚀刻是为了防止与边缘的水短路，固化的特氟隆薄膜可确保执行器表面具有疏水性。圆盘TENG的正铜电极与EWA的致动电极（ITO）相连，圆盘TENG的负铜电极插入水中作为接地电极。在操作过程中，FEP膜与丙烯酸覆盖物一起旋转，或者与正/负铜电极接触/分离。感应的电荷转移会定期更改执行器的表面能，并产生用于执行操作的毛细波。
图1.水生TENG-Bot的概念。水生TENG-Bot由一个圆盘TENG和一个EWA组成。在运行期间，圆盘TENG的旋转交替地将电荷转移到执行器和接地电极，并产生用于执行操作的毛细波。
TENG-CWA的表现
改变影响致动器性能的参数以追求最佳的致动性能。首先评估铁氟龙AF层厚度的影响。在该测试中，Voc，fTENG和致动器电极宽度w分别设置为V，2Hz和2cm。将10％的TeflonAF溶液以、、和rpm的转速旋涂，固化后的厚度为3.8、2.2、1.6和1μm。如图3a所示，通过等式1获得蓝色曲线，并使用后处理软件ImageJ通过高速相机捕获的图像测量点。可以看出，改进的接触角随着特氟隆厚度的增加而增加。如图3b所示，随着致动器电极宽度的增加，修改的接触角增加。这是因为当盘TENG输出固定时，传递到致动器电极的摩擦电荷总量将是相同的。
图3.（a）铁氟龙层厚度对改进的接触角的影响。（b）执行器电极宽度对修改后的接触角的影响。（c）修正的接触角与平均波幅之间的关系。（d）驱动力与平均波幅之间的关系。（e，f）Voc和fTENG对驱动力的影响。
水生TENG-BOT的运动
作者介绍了水中的TENG-Bot在去离子水中的运动。Voc和fTENG会发生变化，以显示它们对运动速度的影响。图4a显示了装满去离子水的容器中单个微型机器人（重量为0.07g）的运动。致动电极通过25μm镍线连接到TENG，以减小应变。通过打开光盘TENG，产生V和20Hz的输出信号，并且以1cm/s的最大运动速度向前驱动裸机。Voc对单个微型机器人运动的影响如图4d所示（fTENG保持为20Hz）。可以看出，当Voc为V且速度为0.2cm/s时，可以启动单个水生TENG-Bot。当Voc达到V时，运动速度达到饱和，这一结果与驱动力的趋势一致，如图3e所示。进一步将V和20HzTENG输出信号用于三重机器人的运动。如图4c所示，三个微型机器人以平均速度0.3cm/s移动。Voc对三重机器人运动的影响如图4d所示。可以看出，三重机器人的运动速度远低于单个机器人。
图4.去离子水中水生TENG-Bot的运动。（a）单个机器人在去离子水中的最大运动速度为1cm/s。（b）在去离子水中以最大负载（裸机的三倍）移动微型机器人。（c）三缸机器人在去离子水中的运动。（d）TENG的Voc对运动速度的影响。（e）fTENG和负载重量对运动速度的影响。
如图5a所示，在海水中还演示了所呈现的水生TENG-Bot的运动功能。TENG的输出保持为V和20Hz。海水是从中国大连黑石礁公园（.E，38.N）的海岸收集的。为了量化不同离子的影响，进一步测试了水生TENG-Bot在盐水中的运动性能。如图5c所示，添加三种类型的盐（包括NaCl，MgCl2和KCl），其浓度为0-1mol/L会对微型机器人的运动产生不利影响。当将1mol/LNaCl添加到去离子水中时，运动速度下降到约0.1cm/s。在1mol/LKCl和MgCl2溶液中，水生微型机器人以0.8和0.9cm/s的速度运动。盐类型引起的差异可能归因于离子的电负性以及存在离子时的接触角变化。
图5.在不同的工作环境中水生TENG-Bot的运动。（a）以0.21cm/s的速度在海水中运动（从中国大连市黑石脚公园.E，38.N收集）。（b）微型机器人在硅油/去离子水界面的移动速度为0.4cm/s。（c）离子类型和浓度对运动速度的影响。（d）在红外摄像机和分贝计下的运动。红色虚线正方形表示在噪音测试下微型机器人的位置，而黄色虚线正方形表示在红外摄像机测试下微型机器人的初始和最终位置。
风-TENG驱动的水生TENG-Bot及其应用
在此部分中，将组装风TENG以收集环境风能，以驱动水生TENG-Bot（图6a）。wind-TENG设计有两对电极，以在低风速条件下增加输出信号的频率。当叶片上吹有0.25m/s的风时，TENG可以产生频率为4.2Hz的约V峰峰值电压信号（图6b）。水生TENG-Bot以0.29cm/s的速度逆风向前驱动（图6c）。
图6.Wind-TENG驱动的微型机器人及其在油滴收集中的应用。（a）wind-TENG装置由风轮和带有两对电极的TENG组成。（b）风轮由鼓风机驱动，风速为0.25m/s，并以4.2Hz的频率产生V的Voc。（c）将水生TENG-Bot以0.29cm/s的速度逆风启动。（d）水生TENG-Bot配备有疏水但亲油的海绵，并证明在水表面上收集了墨汁染色的油滴。
参考文献：
doi.org/10./acsnano.0c
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