图1：SCO的设计理念。（a，b）仿材料的设计受到了水黾和潜水钟蜘蛛的启发。（c）相比于普通超疏水薄板，SCO不仅能够在水面上具有更强的浮力，即使浸没在水中，也可以漂浮回水面。（d）SCO和普通超疏水薄板的光学图像对比。比例尺为5毫米。（e） SCO和其他材料（包括泡沫、气凝胶、超疏水薄板和SCO）的漂浮性能比较。

　　SCO卓越的漂浮能力可归因于其仿生超疏水表面和独特的折叠气室结构。将这两种特性相结合，就能实现水面大质量承重以及沉入水中的再次浮回水面的能力。其中超疏水折叠气室占据了主要作用，在SCO漂浮在水面上时，气室能够帮助SCO排出更多水。而当SCO沉入水中时，由于超疏水表面的限制，能够有效阻止气室内部的气体溢出，从而在浸没到水中之后也能保持足够的浮力使SCO浮回水面。相较之下，超疏水薄片在水面上承重是回出现一个水坑，排出的水能够保持浮力，然而，当材料沉入水中之后，只有超疏水表面形成的一层薄薄气膜能够提供浮力，难以使材料继续浮回水面。

　　图2：SCO的下沉和上浮行为。（a，b）SCO的浸没和浮出过程对称运动轨迹。（c）浮力测量方法。（d）SCO在下沉和浮出水面时的浮力测量。（e）不同折叠角度的SCO的浮力。（f）SCO浸没机理的分析以及（g）水下浮力和折叠角度的关系，并和实际值相匹配。

　　为了表征材料的下沉和上浮行为，SCO被固定在测力计上，分别进行压入水中和浮出水面的运动立柱螺栓，并在此过程中测量材料的浮力。由结果可知，无论是在水面上的承重能力，还是水下的浮力，SCO均优于普通超疏水薄板。此外，作者分析了材料在下沉过程中的机理，并计算了SCO在水中浮力和折板角度的关系。进一步解释了SCO具有优秀漂浮能力的原因，也指明了空气腔的增大浮力，增强稳定性的意义。

　　图3：将SCO中引入隔板。（a，b）没有隔板和9个隔板的SCO的对比。（c，d）不同隔板数的SCO在水平下沉过程中的浮力对比。（e）不同隔板数的SCO在垂直下沉过程中的浮力对比。（f，g）隔板数增加能够提高浮力的机理，通过引入隔板，能够有效增加气室内部储存气体的体积轴平面，从而增强浮力。

　　为了进一步增强SCO的漂浮能力与稳定性，作者在超疏水折叠的基础上引入了隔板。通过实验表征证明，隔板的引入对于材料沉入水中的浮力具有很强的促进作用，并且随着下沉角度的增加，这种促进作用变得更加明显。此外，隔板的引入还能进一步提升气室对于气体的限制作用运动方案设计，从而有助于SCO在剧烈环境下保持充足的浮力和抗沉能力，不会轻易沉没。

　　图4：SCO出色的浮水能力。（a）SCO能够在完全沉入水中之后迅速浮回水面，而超疏水平板在沉入水底之后不会上浮。（b）不同顶角SCO在水平沉入水底后的上浮速度。（c）COMSOL模拟SCO在上浮过程中所经历的翻转（d）不同顶角SCO在垂直沉入水中后的上浮速度电剥蚀。（e）即使采用金属作为基底，SCO仍然能够在沉入水底之后浮回水面。

　　SCO优秀的漂浮性能不仅限于水面优秀的抗沉性能，更重要的在于，即使沉入水底，由于气室的存在，也能使SCO保持浮力，迅速浮回水面。更重要的是，这种设计不受基底材料所限制，只要保持折叠结构和超疏水表面分子机械磨损，即使采用金属作为SCO的基底编码器座底板，也能够实现在下沉之后迅速浮回水面。此外，作者采用COMSOL有限元模拟分析了SCO在上浮过程中所经历的受力情况以及运动轨迹，解释了SCO在上浮过程中发生翻转的原因。

　　图5：向SCO中引入不对称Janus结构。（a）不对称Janus SCO的结构和浸润性示意图。（b）不对称Janus SCO的水中自我调整能力。（c）不对称Janus SCO能够发生翻转的机理。（d）COMSOL模拟。（e）将大量不对称Janus SCO反向沉入水中，结果全部发生了翻转。

　　为了应对更加复杂的应用情况，作者将SCO的结构中引入了不平衡的Janus结构。借助独立化的气室带来的优势，精准控制每个独立气室的浸润性，从而造成水中浮力和重力的不对称，实现SCO的定向翻转。无论是疏水面还是亲水面朝下沉入水中，材料均能实现水中位置的自我调控，最终实现疏水面朝上的形式浮出水面。这种设计对漂浮体有自我调整，固定方向上有特殊要求的应用环境有望能施展作为，例如日光蒸发等。

　　图6：多功能化的SCO。（a）通过可折叠铰链制备出的能够调控浮力的可折叠SCO。（b）即使将SCO做成圆柱形，也能够实现沉入水中之后浮回水面。（c）圆柱状SCO具有水上架设电缆的潜能。

　　为了进一步实现功能多样化保护性气氛，作者将可折叠结构引入了SCO，实现了浮力可调。此外，通过将超疏水气室结构与圆柱形相结合，实现了三维拓扑结构的高效漂浮，有望应用于漂浮微管路铺设等场景。本工作受到国家自然科学基金项目、国家重点研发计划、天津市青年人才托举工程尺寸公差、以及南开大学科研启动经费的资助。

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