基于马兰戈尼效应的可食用水生机器人：环境监测与生态营养递送新范式

这篇开创性研究报道了一种完全可生物降解且可食用的自驱动水生机器人，其创新性地利用马兰戈尼效应（Marangoni effect）实现自主推进。该机器人主体采用冻干鱼饲料制成，通过水触发气动反应持续释放对水生动物安全的表面活性剂（surfactant），兼具环境传感、营养/药物递送功能。其非毒性组分和可食用特性突破了传统水生机器人依赖人工聚合物和电子元件的局限，为生态敏感水域的大规模部署提供了革命性解决方案。

　　

可食用水生机器人的设计理念与创新价值
厘米级水生机器人在环境监测、勘探和水域干预领域具有重要应用前景，但传统机器人依赖人工聚合物和电子元件，可能污染敏感生态系统。这项研究提出了一种突破性解决方案——通过完全可生物降解和可食用的自驱动装置，利用马兰戈尼效应实现自主推进。机器人主体由冻干鱼饲料构成，动力源自水触发的气动反应，可持续释放对水生动物安全的表面活性剂。这种设计不仅解决了环境兼容性问题，还能在生命周期结束时为野生动物提供营养，实现从环境感知到生态服务的多功能整合。

材料选择与结构优化
机器人的船形主体采用商业鱼饲料颗粒研磨后与明胶粘合剂混合，经冷冻干燥制成密度250±13 kg/m³的轻质结构。实验比较淀粉、面粉和明胶三种粘合剂的水吸收率发现，明胶基配方在3分钟内吸水率比其他配方低5倍，且弯曲模量达117.28 MPa，满足结构完整性需求。值得注意的是，添加防水剂（虫胶、鱼油或蜂蜡）反而会降低材料机械性能，因此最终采用纯明胶配方。

表面活性剂的生态安全评估
研究团队建立了毒性指数I_toxic评估体系，基于EC50（半数效应浓度）和NOEC（无观察效应浓度）数据对多种食用表面活性剂进行筛选。通过旋转运动测试平台比较发现，卵磷脂虽安全性最佳（I_toxic=0），但易使水面饱和导致运动时间缩短；而丙二醇和乙醇表现更优。最终选择丙二醇作为燃料，因其运动能量输出达乙醇的55.11%，且对水蚤（Daphnia magna）的安全浓度限值比乙醇高3.5倍，已被证实可作为水产饲料添加剂使用。

流体驱动器的精密控制
双层结构的流体驱动器由明胶制成，包含波浪形燃料通道（宽1.8 mm，厚0.8 mm）和反应室。创新性地采用柠檬酸（10 mg）与碳酸氢钠（10 mg）反应产生CO₂推动燃料，通过添加乙基纤维素（EC）调控反应速率——10 mg EC样品触发时间3.42±1.50秒，燃料排出时间30.36±11.14秒；20 mg EC样品则延长至69.00±17.31秒。反应副产物柠檬酸钠含量控制在饲料质量1%的安全范围内，符合水产养殖标准。

运动性能与生态兼容性
12个机器人样品的测试显示，10 mg EC组的平均速度达0.052 m/s（约1.1倍体长/秒），峰值速度0.098 m/s；20 mg EC组平均速度0.034 m/s，均落在预设的0.5-3倍体长/秒目标区间。营养分析表明，机器人含77.0%蛋白质、17.3%碳水化合物和2.7%脂质，与商业饲料相比蛋白质含量提高30%，适合肉食性水生动物摄食。特别值得注意的是，L型和R型驱动器表现出相反的转向趋势，这种伪随机运动可能增强对捕食性鱼类的吸引力。

应用前景与领域突破
这项技术开创了环境监测机器人设计与应用的新范式：通过可食用材料实现零污染部署，其马兰戈尼推进机制无需电子元件即可实现持续运动。在生态监测方面，可搭载可降解传感器形成监测网络；在水产养殖中，既能作为认知训练工具改善动物福利，又能精准递送营养或药物。相比传统饲料，该机器人丙二醇含量（106.2 mL/kg）显著高于文献报道的安全剂量（7.5 mL/kg），且47 mm的尺寸符合多数捕食性鱼类的天然食性。未来通过自动化制造工艺优化，可进一步提高运动控制精度和批次一致性。

方法论创新与验证
研究团队建立了完整的物理模型预测运动性能，考虑表面张力梯度（Δσ）、燃料供应效率（η）和阻力系数（c_d）等参数。实验验证显示实际运动速度（0.034-0.098 m/s）与模型预测（0.032-0.111 m/s）高度吻合。冷冻干燥工艺参数（-30°C冷冻6小时，72小时干燥）的优化保障了多孔结构的均匀性，而转谷氨酰胺酶（transglutaminase）粘合确保了流体驱动器的气密性。这种跨学科整合材料科学、流体力学和生态毒理学的系统方法，为下一代环境友好型机器人研发提供了范本。