最近，吉林大学电子科学与工程学院张永来教授团队联合吉林大学生物与农业工程学院常志勇教授团队，在PhotoniX期刊发表了题为“Light-propelled photocatalytic evaporator for robotic solar-driven water purification”的研究成果。该工作聚焦光子学驱动的多功能净水系统，提出一种集光热蒸发、光催化降解与光编程推进于一体的新型光驱动蒸发器，构建了无需电池、路径可控的智能净水机器人。研究充分体现光子学与二维材料、环境工程、智能机器人等领域的深度交叉，突破传统静态净水系统限制，实现光响应推进与净水功能协同。该成果为太阳能水净化、柔性微机器人与智能光控材料的发展提供了新思路，展现出光子学在绿色低碳与智慧环境系统构建中的颠覆性潜力。
主要研究内容
本研究围绕太阳能驱动下的多机制水净化需求，提出了一种集光催化降解、光热蒸发与自主运动于一体的光驱动净水器件。该器件具备宽光谱吸收能力与高效的能量转换性能。在太阳光照射下，系统通过协同的光催化与光热机制，实现对水中污染物的有效降解与水分的高效蒸发，适用于多种复杂水体环境。
系统内部形成的异质结结构有助于光生载流子的快速分离与迁移，从而提升光催化反应效率；其多孔表面结构能够有效捕获入射光并促进水汽蒸发，在持续光照下保持良好的蒸发能力。在非对称光照条件下，器件表面会形成温度梯度，引发表面张力差，进而激发马兰戈尼效应，实现器件在水面上的定向驱动。通过调控光照区域的位置，可引导其沿预设路径运动，并具备避障能力。
区别于传统静态净水器件，该系统能够在水面上实现连续、自主、可编程的运动控制，与净水过程协同进行。这一特性显著提升了系统在动态水环境下的响应性与太阳能的空间利用效率。整体上，研究从器件行为出发，系统性探索了光响应过程在界面能量转化、流体调控与功能集成中的作用机制，展现了光子学与智能界面水处理系统之间的深度融合。
技术突破与创新
本研究在太阳能界面水净化与智能驱动系统的融合方面实现了多项关键突破。首先，在器件功能集成方面，系统性实现了光催化降解、光热蒸发与自主运动三种核心机制的协同工作，突破了传统净水系统功能分离、结构静态的局限。通过构建异质结结构，增强了光生载流子的空间分离与界面迁移效率，显著提升了污染物的光催化降解能力。器件表面的多孔通道结构与高光吸收能力协同作用，有效促进热量积聚与水分迁移，为界面蒸发提供了稳定持续的热源支持，从而构建出高效、多功能的太阳能净水路径。
其次，研究将光热马兰戈尼推进机制引入水净化器件中，在无需任何外部供能的前提下，实现了器件在水面上的自驱动运动。局部光照产生非对称温度场，引发表面张力差，从而驱动器件沿设定方向移动。该机制不依赖传统电驱、磁控等方式，仅以光作为驱动信号，具备高度的响应性与可控性。通过调节光照位置与角度，可灵活实现器件的路径规划、方向切换与障碍绕行等运动模式。器件可在水面上边移动、边处理目标水体，具备空间响应能力与功能叠加特性。
图1 光驱动智能净水机器人。(a) 材料制备流程；(b) 光陷阱结构、光催化与光热转换机制；(c) 机器人的工作原理；(d) 机器人运动轨迹的可编程控制。
图2 光驱动智能机器人实现可编程水面运动。(a) 不同激光照射方向下的运动状态；(b) 激光照射方向切换过程；(c) 激光引导下形成的可编程运动轨迹图。
观点评述
本研究构建了一种集光催化降解、光热蒸发与自主运动于一体的光驱动净水器件，突破了传统太阳能界面水净化系统功能分散、结构静态的局限，实现了多机制协同净化与光控可编程运动的统一。器件依托异质结结构增强光催化效率，通过光热诱导的马兰戈尼效应实现水面自驱动，在激光引导下完成净化与路径规划的同步运行，展现出良好的环境适应性与系统响应能力。研究从功能构建、能量转化机制到运动行为调控，为构建无外部供能、具备智能响应特征的净水平台提供了新思路。未来，该类光驱动系统有望在智能感知、环境适应性强的自组装机器人系统等方向进一步发展，推动光子学技术在智能材料、水环境治理与绿色能源系统中的集成应用与工程转化。
主要作者介绍
常志勇，工学博士，国家高层次青年拔尖人才、吉林省首批长白山科技领军人才、吉林省高层次B类人才、吉林省有突出贡献专家、吉林省第七批拔尖创新人才。吉林大学“唐敖庆学者”领军教授、博士生导师。长期从事仿生传感器件与系统、随钻气测仪器与应用、智能探测与传感装备方面研究，主持国家自然科学基金联合基金重点项目、国家重点研发计划课题、国家“特支计划”项目等国家、省部级重点科研项目15项，在研经费4500余万；以第一或通讯作者发表SCI/EI检索论文80篇；已授权发明专利41件，授权美国发明专利1件。作为第一完成人，获吉林省科学技术进步奖一等奖、吉林省首届优秀创新成果一等奖，荣获吉林省杰出创新创业人才（创新）奖励。国家自然科学基金委员会机械工程学科项目、科技部项目评审专家，工信部人才计划、教育部人才计划评审专家。Journal of Bionic Engineering期刊领域副主编。
张永来，教授，博士生导师，国家级领军人才。研究方向：激光仿生制造。围绕仿生材料与器件、智能微系统、柔性电子器件和软体机器人开展前沿研究，发表第一作者、通讯作者SCI论文121篇（ESI高被引论文15篇），个人H因子为60。在Nat. Commun.（2篇）, Natl. Sci. Rev./Sci. Bull.（2篇）, Adv. Mater./Adv. Funct. Mater.（15篇）, Nano Lett./ACS Nano/Nano Energy（5篇）, Laser Photon. Rev./PhotoniX（3篇）等重要学术期刊发表中科院一区SCI论文120余篇，含Adv. Mater./Adv. Funct. Mater.杂志封面论文10篇。论文近五年他引5378次（含诺贝尔奖得主引用11篇次），研究成果入选“2022年中国光学十大进展”，被Nature杂志Highlight专题报道、美国光学学会（OSA）、美国机械工程师学会（ASME）、中华人民共和国科学技术部官方网站等专题报道30次。研究结果获国家自然科学二等奖（排名第三）；获吉林省第六批拔尖创新人才称号；获2018吉林省青年科技奖；2022年获吉林省杰出青年基金，任超快激光微纳制造吉林省重点实验主任。2015年获国家级青年人才称号，2023年获国家级领军人才称号，主持国家自然科学基金重点项目（光电集成的仿生复眼关键技术研究）和国家重点研发计划课题等。任国内顶级综合期刊《National Science Review》Editorial Group Member，《Science China Technological Science》Young Scientists Committee,《The International Journal of Extreme Manufacturing》Youth Editor, 中国机械工程学会极端制造分会委员，《激光与光电子学进展》编委，《科学通报》杂志“激光仿生制造”专栏编辑等。
本文出处
发表于：PhotoniX
论文链接：
https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-025-00169-4
文献检索：
PhotoniX 6, 11 (2025). https://doi.org/10.1186/s43074-025-00169-4