弗吉尼亚大学许宝星教授，最新Science Advances：在水面上直接“印”出薄膜

摘要：在大自然中，水黾等昆虫能够轻盈地在水面行走。模仿这种能力的“液面行走机器人”有望在水质监测、环境探测和水上救援等领域发挥巨大作用。然而，要真正把工程化的“水上行走”设备做出来，却存在诸多挑战。传统方法往往依赖固体基底（如硅片、玻璃片）来制备柔性薄膜，再经历复杂

在大自然中，水黾等昆虫能够轻盈地在水面行走。模仿这种能力的“液面行走机器人”有望在水质监测、环境探测和水上救援等领域发挥巨大作用。然而，要真正把工程化的“水上行走”设备做出来，却存在诸多挑战。传统方法往往依赖固体基底（如硅片、玻璃片）来制备柔性薄膜，再经历复杂的转移、组装，最后才能让它们“下水”。但问题是：这些柔软的超薄薄膜在转移过程中极易损伤、破裂，制造效率低，稳定性差。

鉴于此，美国弗吉尼亚大学许宝星教授团队提出了一种全新的液体基底加工技术 HydroSpread。该方法利用液滴在液体表面的可控铺展，可以直接在水面上快速形成超薄、连续且高度均匀的柔性薄膜；同时借助固-液界面的快速散热特性，实现高分辨率的激光刻蚀加工。研究表明，从最基本的直线、圆形和转角，到更复杂的几何结构和精细图案，都能在水面薄膜上高保真度地再现设计。此外，团队首次提出了两种基于热驱动的水动力学运动机制：“鳍状弯曲” (fins-like bending) 和 “足状屈曲” (leg-like buckling), 并依托这两种原理，成功设计并制造了两类液上行走装置——HydroFlexor 与 HydroBuckler，实现了机器人“生于水面”并可立即具备行动能力。相关成果以 “Processing Soft Thin Films on Liquid Surface for Seamless Creation of On-Liquid Walkable Devices” 为题发表在最新一期《Science Advances》上，第一作者为陈子煜，尹蒙天为共同一作。

在水面上直接“印”出薄膜

HydroSpread的核心思想在于：在完全湿润（total wetting）的条件下（铺展系数S大于0），将高分子液滴在水面上，让其在液体界面上自动铺展成一层连续、超薄且均匀的柔性薄膜。由于水面极其光滑、摩擦极低，这层薄膜的厚度高度均一，表面粗糙度低至纳米量级。相比之下，固体基底上常常会出现“针孔”或厚度不均的问题。实验显示，薄膜与水之间的粘附能极弱，固化后可轻松剥离而不受损伤。同时，机械测试也证明这种在水面直接成膜的结构拥有良好的完整性。与传统固体基底上的旋涂、喷涂或印刷方法相比，HydroSpread 工艺能同时兼顾“超薄”“均匀”和“易剥离”三大优势。

图 1 | HydroSpread 工艺：液滴在水面铺展，生成“超薄超平整”的柔性薄膜

高精度“水上激光刻字”

在成膜基础上，我们直接利用激光在水面薄膜上刻蚀图案。得益于液体界面的快速散热，激光能量高度集中在刻蚀区域，避免了固体基底常见的过热扩散问题。实验结果表明，从简单的直线、圆形，到复杂的字母标志，HydroSpread 都能以高保真度实现设计。而同样的条件下，固体基底上往往出现缺损甚至无法成形，充分展示了 HydroSpread 的图案加工优势。

图 2 | 水面激光刻蚀：液体界面散热快，让“高精度图案”原样呈现

两种典型的形变模式

当在水面制备的双层复合薄膜受到加热时，会因上下层热膨胀差异而发生变形。根据几何尺寸和材料参数的不同，系统可呈现出两种典型变形模式：一是自由端克服水面张力后向下弯曲（bending），二是自由端受界面约束而发生整体屈曲(buckling)。理论分析、有限元仿真与实验结果高度吻合，建立了清晰的相图来区分这两种模式。更重要的是，这些形变具有良好的可逆性和循环稳定性，能够在多次加热-冷却循环中保持一致响应，为构建可控的水上运动提供了坚实的力学基础。

图 3 | 双层薄膜形变：加热驱动两种模式—bending与buckling

液上行走机器人的运动演示

基于上述机理，我们开发了两类液上运动原型。HydroFlexor 通过“鳍片”交替弯曲和扭转，实现类似鱼鳍划水的推进，可直线前进或通过不对称设计实现转弯。HydroBuckler 则借助“腿状结构”的周期性屈曲与恢复，模仿水黾的步行动作，在水面上实现稳定的前行。实验结果与理论设计高度一致：装置不仅能根据加热温度调节速度，还能通过结构差异控制方向。不同于传统需先在固体基底制造再转移的机器人，这些装置自诞生之初便与水面融为一体，实现了真正的“生于水面，行于水面”。

图 4 | 液上行走机器人：基于bending设计的HydroFlexor和基于buckling设计的HydroBuckler

总结与展望

HydroSpread 技术打破了“固体基底制造 → 转移 → 下水”的繁琐工序，而是一步到位地在水面上完成薄膜制备、图案刻蚀和功能结构构建。它的优势包括：制备简洁高效：无需复杂转移，避免损伤。图案高保真：液体界面散热快，激光刻蚀分辨率高。运动模式丰富：可通过设计实现弯曲驱动和屈曲驱动。展望未来，结合对电场、磁场或光场敏感的材料，HydroSpread 有望发展出更精准、更智能的液上机器人，为智能传感与软体机器人开辟新方向。