人類主要生活在陸地上，對海洋、湖泊等水域環境認識能力有限，水上行走機器人能夠拓展人類活動範圍，推進人們對未知水域的探索。微型化、群控化是機器人研究的一個重要方向，相比船、機器魚等傳統水上裝置，微型仿水黽機器人具有體積小、重量輕、低能耗、低噪音、低成本、活動範圍廣等優點，群體作業可以執行水質監測、水上偵查、水上搜索與救援等任務，具有廣闊的應用前景。

此外，仿水黽機器人涉及仿生學、MEMS、先進材料、機器人學以及流體力學等學科，一些關鍵技術觸及相關領域最前沿，因此相關研究的開展能夠同時推動多門學科技術的共同發展，具有重要的科學意義。水黽獨特的身體構型與運動方式賦予其靈活、快速、高效的水麵運動能力，具有很高的合理性和科學性。

本文從水黽水麵運動生物學機理出發，探討了表麵張力驅動的生物學原理，深入分析了超疏水材料潤濕特性以及機器人水-空氣界麵運動與水之間相互作用，在此基礎上研製了一款新型表麵張力驅動微型仿水黽機器人。

首先，基於尺度效應及流體力學無量綱數，定性分析了水黽水麵運動的主導作用力，充分認識了水黽水麵漂浮與運動的生物學原理，以及表麵張力作用機理，明確了本次仿生的基本思想及依據。基於潤濕理論與最小界麵自由能原理，從移動三相接觸線角度出發，分別建立了超疏水材料接觸角滯後模型以及水壓引起的超疏水性失效模型，並借助實驗及分子動力學模擬進行了驗證，在此基礎上對本文製備的銅基底仿水黽超疏水材料相應潤濕特性進行了分析，為仿水黽機器人水麵運動負載能力計算、穩定性分析以及劃水頻率的製定提供依據。提出了並排多細長圓柱體與水麵接觸相互作用模型，分析掌握了圓柱體表接觸角、截麵半徑以及相對位置等因素對圓柱體-水相互作用影響規律，用於機器人支撐係統設計及負載能力分析；分別建立了機器人腿平行水麵劃水運動受力模型以及刺破水麵臨界條件分析模型，提出了一個無量綱數用於刺破水麵判定，為仿水黽機器人水麵運動動力學分析奠定理論基礎。

基於水黽生物學機理，明確了仿水黽機器人研製的基本原則；提出了一種新型凸輪連杆驅動機構用於模仿水黽中腿空間類橢圓形軌跡劃水動作；基於並排多細長圓柱體與水麵接觸相互作用模型，設計了機器人支撐係統並進行了水麵負載能力計算分析。基於細長圓柱體與水麵接觸相互作用分析，提出了仿水黽機器人水麵運動穩定性分析模型，定義了一種類質量-彈簧-阻尼模型用於描述機器人與水之間相互作用，分析了驅動腿衝擊水麵及安裝位置對機器人水麵運動穩定性影響規律；建立了機器人水麵運動動力學模型，並借助ADAMS進行了仿真分析。最後，研製機器人試驗樣機並進行實驗，觀察了驅動腿劃水動作及軌跡，測試了不同劃水頻率、不同劃水步態下機器人水麵運動能力，並與仿真結果進行了對比分析，驗證了動力學模型及仿真方法的有效性；通過對比其它仿水黽機器人，從穩定性和能耗兩個方麵討論了本機器人驅動腿采用的仿水黽劃水方式的優點；借助表麵張力相關兩個流體力學無量綱數對機器人與水黽進行了水麵運動動力相似性分析，討論了本次仿生的效果。