很多人都曾經見過,，在夏季的池塘或湖泊的水面上,，有一種身體輕盈,，腿細長的小昆蟲，可以自由地在水面上停留,、快速滑行和跳躍,，它們的學名叫水黽。在科學家眼里,，它們小小的身體在水面的自由活動,，背后有著值得探索的科學原理。
國際上已有多個研究組對水黽的漂浮原理開展了深入細致的研究,，大家普遍都認同由于水黽的腿具有超疏水特性,，根據(jù)改進的阿基米德定律，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,，研究者們還計算并離體測量了水黽腿上的浮力和壓水深度之間的關系等。雖然漂浮原理已經比較清楚,，但是此前的研究還沒有實現(xiàn)過將一只水黽的體重與其各條腿上的浮力之和進行對比,，即還沒有實現(xiàn)過對其六條腿上的微牛量級大小浮力的同步測量。
在國家自然科學基金項目（項目編號：51425502和51323006）資助下,，清華大學田煜教授課題組提出通過陰影法,，在線測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),，在實驗室環(huán)境下,，用點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,，就可以計算出水黽腿排開水的體積，從而計算出腿受到的浮力,。利用這種陰影法能夠同步在線測量多個水黽多個腿上的微小力,。將用陰影法測得的力與電子天平稱量的水黽重量進行對比分析，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系，力的測量分辨率可以達到nN~pN/pixel,。陰影方法用于在線分析測量水黽和其它水上行走昆蟲（如水蜘蛛,、水蝽等）各個腿上的受力情況，可為仿生微型水上行走機器人的設計制造提供實驗基礎,。研究中還將這一測量原理拓展用于微小表面力的測量,，用簡單的漂浮圓盤實驗裝置得到了接觸時間對頭發(fā)絲與高分子有機硅化合物（Polydimethylsiloxane）表面間的粘附力的影響規(guī)律,。另外，陰影法測量微小力是一種簡單,、方便的測量水上漂浮物浮力的方法,。一部手機、一個手電筒,、一個玻璃或塑料容器,、一張白紙及一杯清水就能實現(xiàn)這種測量。這為中小學生理解液體表面張力相關的自然現(xiàn)象與規(guī)律提供了簡單方便的實驗方法,。
相關研究成果分別以“基于阿基米德原理的陰影法測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構”為題發(fā)表在學術期刊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物理學會（AIP）、美國化學學會（ACS）進行了專題報道,，隨后被美國科學促進會（AAAS）,、美國每日科學（Science Daily）和世界科技研究新聞資訊網等多家著名科技新聞雜志或科技網站報道和轉載。
