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(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，背后有著值得探索的科學(xué)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(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(xué)基金項目（項目編號：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(guān)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(shè)計制造提供實驗基礎(chǔ),。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(xué)生理解液體表面張力相關(guān)的自然現(xiàn)象與規(guī)律提供了簡單方便的實驗方法,。
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物理學(xué)會（AIP）,、美國化學(xué)學(xué)會（ACS）進行了專題報道,，隨后被美國科學(xué)促進會（AAAS）、美國每日科學(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)站報道和轉(zhuǎn)載,。
