很多人都曾經(jīng)見過，在夏季的池塘或湖泊的水面上，有一種身體輕盈，腿細(xì)長(zhǎng)的小昆蟲，可以自由地在水面上停留、快速滑行和跳躍，它們的學(xué)名叫水黽。在科學(xué)家眼里，它們小小的身體在水面的自由活動(dòng)，背后有著值得探索的科學(xué)原理。
國(guó)際上已有多個(gè)研究組對(duì)水黽的漂浮原理開展了深入細(xì)致的研究，大家普遍都認(rèn)同由于水黽的腿具有超疏水特性，根據(jù)改進(jìn)的阿基米德定律，水黽腿排開水的重量等于其所受的浮力，從而能夠浮在水面上，研究者們還計(jì)算并離體測(cè)量了水黽腿上的浮力和壓水深度之間的關(guān)系等。雖然漂浮原理已經(jīng)比較清楚，但是此前的研究還沒有實(shí)現(xiàn)過將一只水黽的體重與其各條腿上的浮力之和進(jìn)行對(duì)比，即還沒有實(shí)現(xiàn)過對(duì)其六條腿上的微牛量級(jí)大小浮力的同步測(cè)量。
在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：51425502和51323006）資助下，清華大學(xué)田煜教授課題組提出通過陰影法，在線測(cè)量了作用在水黽及水蜘蛛等水上行走昆蟲多條腿上的浮力。該方法主要是考慮到，光照射到由水黽腿壓成的彎曲水面上時(shí)在空氣/水界面發(fā)生折射，不同位置的光線由彎曲水面折射到水底后可形成帶有亮邊的陰影。受此啟發(fā)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，用點(diǎn)光源在水黽和水面的正上方照射，拍攝得到容器底部的水黽腿陰影，通過陰影形狀反算出彎曲水面的三維形狀，就可以計(jì)算出水黽腿排開水的體積，從而計(jì)算出腿受到的浮力。利用這種陰影法能夠同步在線測(cè)量多個(gè)水黽多個(gè)腿上的微小力。將用陰影法測(cè)得的力與電子天平稱量的水黽重量進(jìn)行對(duì)比分析，其誤差小于5%。
研究還發(fā)現(xiàn)，作用在水黽腿上的浮力與腿的陰影面積成近似的線性關(guān)系，力的測(cè)量分辨率可以達(dá)到nN~pN/pixel。陰影方法用于在線分析測(cè)量水黽和其它水上行走昆蟲（如水蜘蛛、水蝽等）各個(gè)腿上的受力情況，可為仿生微型水上行走機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。研究中還將這一測(cè)量原理拓展用于微小表面力的測(cè)量，用簡(jiǎn)單的漂浮圓盤實(shí)驗(yàn)裝置得到了接觸時(shí)間對(duì)頭發(fā)絲與高分子有機(jī)硅化合物（Polydimethylsiloxane）表面間的粘附力的影響規(guī)律。另外，陰影法測(cè)量微小力是一種簡(jiǎn)單、方便的測(cè)量水上漂浮物浮力的方法。一部手機(jī)、一個(gè)手電筒、一個(gè)玻璃或塑料容器、一張白紙及一杯清水就能實(shí)現(xiàn)這種測(cè)量。這為中小學(xué)生理解液體表面張力相關(guān)的自然現(xiàn)象與規(guī)律提供了簡(jiǎn)單方便的實(shí)驗(yàn)方法。
相關(guān)研究成果分別以“基于阿基米德原理的陰影法測(cè)量作用在水上行走昆蟲腿上的微小力”和“水黽腿與水界面彎液面的三維結(jié)構(gòu)”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Langmuir 2016, 32, 10522–10528和Applied Physics Letters 2016, 109, 163701（封面文章和推薦文章）上。這一研究成果被美國(guó)物理學(xué)會(huì)（AIP）、美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)（ACS）進(jìn)行了專題報(bào)道，隨后被美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）、美國(guó)每日科學(xué)（Science Daily）和世界科技研究新聞資訊網(wǎng)等多家著名科技新聞雜志或科技網(wǎng)站報(bào)道和轉(zhuǎn)載。
