论文标题：Quantifying the Leaping Motion Using a Self-Propelled Bionic Robotic Dolphin Platform

论文链接：https://www.mdpi.com/2313-7673/8/1/21

期刊名：Biomimetics

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/biomimetics

最近，一项发表于 Biomimetics 的研究，从鲨鱼皮肤中获取灵感，研制出了一款具有具有多孔基底和仿生鲨鱼小齿结构的3D打印游泳机器人，实现了可控的马兰戈尼推进，为未来自主游泳机器人的仿生结构设计打开了新思路。

灵感来源：鲨鱼皮肤的秘密

鲨鱼，作为海洋中的高效游泳者，其皮肤结构一直备受科学家关注。研究发现，鲨鱼皮肤表面覆盖着数百万个微小的“鳞齿”，这些鳞齿不仅具有减阻功能，还能在游动中主动调节水流、防止逆流。更令人惊讶的是，鲨鱼皮肤表面还会分泌黏液，虽然量少，但其表面张力极低 (约20–30 mN/m)，这种粘液的低表面张力可以诱导马兰戈尼推进，促进主动减阻。当与小齿微观结构的流体动力学特性相结合时，这种机制可能会产生意想不到的性能增强，而目前对涉及粘液的主动机制的关注很少，因此需要进一步研究这种仿生主动减阻方法。

图1：鲨鱼齿状突起的特征及推进设计概念。(a) 短鳍真鲨 (Isurus oxyrinchus) 的示意图 (b) 鲨鱼齿状突起的横截面扫描电子显微镜 (SEM) 图像 (c) 鲨鱼皮肤的层级结构示意图 (d) 攻角θ随流动条件变化而变化

机器人设计：3D打印+仿生结构

为了验证这一猜想，研究团队采用高精度3D打印技术，制造出一种多层结构的游泳机器人：

•底层：多孔基底，用于储存和释放表面活性剂 (如HFIP、乙醇等)；

•上层：仿鲨鱼鳞齿阵列，排列方式模拟真实鲨鱼皮肤的“交错重叠”或“线性排列”；

•侧边：加装超疏水围栏，显著降低水阻，提升推进效率。

研究人员还通过微CT扫描真实鲨鱼皮肤，重建了单颗鳞齿的3D模型，并将其放大10倍进行打印，以确保结构细节的精确复现。

图2：(a) 自推进式马兰戈尼驱动游泳器 (b) 3D打印的自推进式马兰戈尼游泳器照片，其具有交错重叠的齿状阵列，并在游泳器两侧设有超疏水或亲水屏障

机器人的推进方式非常巧妙，当表面活性剂从底部的微孔中释放到水中时，会在机器人后方形成表面张力梯度，从而产生向前推进的马拉戈尼力。更厉害的是，通过调控鳞齿排列方式和表面活性剂的注入位置，机器人可以实现直线前进、顺时针或逆时针旋转等多种运动轨迹。详情如下：

•注入中央列孔 → 直线前进；

•注入左侧列孔 → 顺时针旋转；

•注入右侧列孔 → 逆时针旋转。

这种“按需推进、轨迹可控”的特性，让这款机器人在未来应用中极具潜力。

研究比较了两种鲨鱼 (短鳍鲭鲨与太平洋铲吻鲨) 的鳞齿结构对推进性能的影响。结果发现，短鳍灰鲭鲨的鳞齿排列更密、孔隙率更高，因此在气动推进中表现更优。而太平洋大吻斜齿鲨的鳞齿表面具有六边形凹坑结构，虽在气动中无显著优势，但在水动推进中能有效抑制涡流、增强推进。

研究团队对机器人进行了多项性能测试，得出以下结论：

•超疏水表面能显著提升推进速度与续航时间，最大速度达10.05 cm/s，续航时间比亲水表面长两倍以上；

•鳞齿攻角为30°时，无论在水中还是空气中，推进性能均为最佳；

•表面活性剂表面张力越低，推进效果越好，其中HFIP (表面张力仅14.53 mN/m) 表现最佳。

总结：当鳞片成为“引擎”——一场由表面张力驱动的仿生革命

这项研究提出了一种新型的自主游泳机器人仿生设计，强调了鲨鱼粘液通过马兰戈尼效应在主动减阻中的潜在作用，并为未来探索微纳米级结构对推进性能的影响提供了基础。随着3D打印、超疏水材料、微流控技术的进一步发展，这类“结构-功能一体化”的仿生机器人，必将成为机器人技术领域的重要方向。从鲨鱼皮肤上一片微小的鳞齿，到一台能在水面上自主导航的机器人——这项研究向我们证明：自然中仍藏着无数未被书写的推进原理与运动智慧，等待我们以更谦逊也更敏锐的方式去发现、解读与再造。

英文原文：

Yang, K.; Wang, C.; Jiang, L.; Fang, R.; Dong, Z. Bioinspired Swimming Robots with 3D Biomimetic Shark Denticle Structures for Controlled Marangoni Propulsion. Biomimetics 2025, 10, 479.

Biomimetics期刊介绍

主编：Stanislav N. Gorb, Kiel University, Germany

期刊致力于研究生物体的最基本方面及其特性向人类应用的转移。期刊旨在为材料科学、机械工程、纳米技术和生物医学领域的研究人员和专业人士提供一个平台，通过在工程系统、技术和生物医学中利用生物启发的设计，开发实现可持续创新的解决方案。