过去十几年，香港理工大学机械工程系教授王钻开一直在思索一个问题——如何让物体表面实现自清洁功能。例如我国西部的太阳能板蒙尘后性能会大打折扣，而当地缺水又给清洁工作增加了难度。如果太阳能板能自己变干净，那该多好。
有趣的是，受蜜蜂的启发，王钻开终于将这个想法落地了。王钻开团队与中山大学先进制造学院副教授吴嘉宁合作，构建出一款弹性仿生刚度梯度弹射器，并开发出仿生机器人，能与太阳能板相结合形成自清洁系统。近日，相关研究论文发表于《自然-纳米技术》。
对大自然有着细腻观察力的王钻开，在蜜蜂身上捕捉到一个神奇的现象。很多昆虫的前肢上都有一把“梳子”，例如蚂蚁用“梳子”清洁完触角后，会使用口器对“梳子”进行清洁，以便下一次使用，而蜜蜂却很少有清洁“梳子”的行为。蜜蜂在无数花朵上停留采集花蜜和花粉，虽然经常用这把“梳子”清洁触角，但不用清理“梳子”便可立马飞向下朵花继续工作。
研究人员进一步揭示其机理发现，“梳子”由很多梳毛组成，每根梳毛长约38微米，上面有跨越近两个数量级的刚度梯度，其尖端是软的，但到根部逐渐变硬。当刷触角时，“梳子”弯曲变形储存弹性能量，那些精妙的刚度梯度结构可增大弹性能量的储存，加速弹性能的释放，缩短能量“爆发”的时间，产生并输出更大的惯性力，以克服黏附力，将花粉和灰尘颗粒飞速弹出去。
破解弹射机制后，王钻开团队要做的就是把设计如此精妙的微观结构在宏观层面上实现。而要提高清洁效率，就需要设计类似的刚度梯度。这一点十分困难。一般的材料都是同质的，研究团队尝试了多种方法，经历了多次失败后才让材料最终实现了渐变，并制造出仿生刚度梯度弹射器，其杨氏模量从尖端的2兆帕逐渐增加到根部的150兆帕，能真正实现“居尘不染尘”。
在此基础上，他们还开发出自清洁机器人。很多户外大型基础设施都受灰尘的困扰，维护所需成本颇高，如果能在这些设施上布置自清洁机器人，便可一劳永逸。比如在太阳能板上安装自清洁机器人后，既省成本，还可长期维持表面清洁，保障稳定的电能供应。这样的设计思路也为生物材料、功率调制以及能量转换等领域的研究提供了重要参考。