馬里亞納海溝，地球最深處。要涉足這無人之境，人造機器若沒有耐壓的“盔甲”，都會被強大水壓所破壞。不過，在深海中生活的生物卻因有著奇特構(gòu)造而在這里安然無恙。若能由深海生物啟發(fā)，把“生命之秘”化作“機器之力”，研發(fā)能自適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的智能機器，則既可助力深海探索，又能發(fā)展新型機器人與智能裝備。
Self-powered soft robot inthe Mariana Trench. Nature 591, 66?C71 (2021).
軟體機器魚在高靜水壓下游動
浙江大學(xué)航空航天學(xué)院李鐵風(fēng)教授團隊聯(lián)合之江實驗室，與合作單位開展跨學(xué)科交叉研究，率先提出機電系統(tǒng)軟-硬共融的壓力適應(yīng)原理，成功研制了無需耐壓外殼的仿生軟體智能機器人，首次實現(xiàn)了在萬米深海自帶能源軟體人工肌肉驅(qū)控和軟體機器人深海自主游動。這種環(huán)境自適應(yīng)的仿生軟體機器人和智能系統(tǒng)，將為深海探索科考、環(huán)境監(jiān)測與資源勘探提供解決方案，為復(fù)雜環(huán)境與任務(wù)下機器人及智能系統(tǒng)設(shè)計提供新思路。
這項研究成果于3月4日，作為封面文章刊發(fā)在國際頂級期刊《自然》。之江實驗室研究人員李國瑞，浙江大學(xué)博士研究生陳祥平、周方浩為論文共同第一作者，通訊作者為浙江大學(xué)李鐵風(fēng)教授。
李鐵風(fēng)教授與本文主要作者（李國瑞，陳祥平，周方浩，梁藝鳴）討論機器人設(shè)計
1.由深海獅子魚啟發(fā)，適應(yīng)110兆帕靜水壓
生物學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在馬里亞納海溝6000米到11000米之間的深度區(qū)域，仍有數(shù)百種物種生存，獅子魚就是其中的一種。
萬米海底的壓力有多大？李鐵風(fēng)說在10900米的海底，靜水壓高約110兆帕，接近于1100個大氣壓。用一個不太恰當(dāng)?shù)谋确剑喈?dāng)于一噸重的小汽車全壓在指尖上。過去，需要高強度的金屬外殼（如鈦合金）或壓力補償系統(tǒng)來保護(hù)，才能克服深海的極高靜水壓。
而李鐵風(fēng)團隊研制的仿生軟體機器魚，由軟體人工肌肉驅(qū)動一對翅膀狀的柔性胸鰭，通過節(jié)律性撲翅實現(xiàn)游動。控制電路、電池等硬質(zhì)器件則被融入集成在凝膠狀的軟體機身中；通過設(shè)計調(diào)節(jié)器件和軟體的材料與結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了機器人無需耐壓外殼，就可以承受萬米級別的深海靜水壓力。
仿生獅子魚深海軟體機器人
記者在現(xiàn)場看到，這款仿生軟體智能機器魚，形似一條深海獅子魚，長22cm，翼展寬度28cm，大約為一張A4紙的長寬。科研團隊如何實現(xiàn)適應(yīng)超強壓力而保持結(jié)構(gòu)功能完整呢？和傳統(tǒng)的“硬扛”方法不同，團隊采用了“以柔克剛”的策略。項目合作方中科院深海研究所何舜平團隊在馬里亞納海溝捕獲的深海獅子魚樣本，也為機器人的設(shè)計提供了仿生啟發(fā)。
通過對深海獅子魚的結(jié)構(gòu)分析，團隊發(fā)現(xiàn)深海獅子魚的骨骼細(xì)碎狀地分布在凝膠狀柔軟的身體中，有助于其在高壓力環(huán)境下的生存與活動。
團隊由此啟發(fā)對電子器件和軟基體的結(jié)構(gòu)、材料進(jìn)行力學(xué)設(shè)計，可以優(yōu)化在高壓環(huán)境下機器人體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，從而使整個系統(tǒng)無需外殼保護(hù)即可適應(yīng)高靜水壓力。“我們的研究目標(biāo)就是以全新技術(shù)路線實現(xiàn)深潛器的小型化、柔性化、智能化，大幅降低深海探測的難度和成本。”李鐵風(fēng)說。
2.突破極限，“軟肌肉-智驅(qū)動”
如何讓軟體機器人智能驅(qū)動，這是李鐵風(fēng)團隊長期攻關(guān)的重要方向。
記者在現(xiàn)場看到，機器魚通過放大狀的魚鰭，像翅膀那樣扇動向前推進(jìn)。要在深海中驅(qū)動，還需克服高分子材料在高壓和低溫時電驅(qū)動能力衰減的問題。團隊與浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院羅英武教授課題組合作研制了能適應(yīng)深海低溫、高壓等極端環(huán)境的電驅(qū)動人工肌肉，在高壓低溫環(huán)境下依然能保持良好電驅(qū)動性能，即便是在馬里亞納海溝的低溫（0~4℃）、高壓環(huán)境（110 MPa）下依舊能正常工作。這款電驅(qū)動人工肌肉也是團隊研究工作的另一個重要突破。
驅(qū)動模擬
那么“翅膀”的撲動是怎么實現(xiàn)的呢？科研人員巧妙地利用了圍繞在人工肌肉外的海水作為離子導(dǎo)電負(fù)極，由機器魚自帶能源在人工肌肉內(nèi)外側(cè)厚度方向產(chǎn)生電勢差，讓高分子薄膜發(fā)生舒張與收縮形變，這樣一來“翅膀”就能上下拍動，推動機器魚水中前行。
“力學(xué)是一門古老而傳統(tǒng)的學(xué)科，這個成果體現(xiàn)了交叉力學(xué)研究在多學(xué)科合作中的融合與橋梁作用，非常感謝不同學(xué)科背景和技術(shù)特長的成員們通力協(xié)作。”據(jù)了解，除了浙大航空航天學(xué)院及之江實驗室的科研力量外，浙大的機械學(xué)院、能源學(xué)院、化工學(xué)院、海洋學(xué)院和中科院深海研究所等多個研究團隊都參與了該項目研究。
3.探索無止境，魚翔萬米深淵
在研制過程中，團隊通過大量的壓力環(huán)境模擬實驗來驗證材料和結(jié)構(gòu)的可行性，已經(jīng)在實驗環(huán)境下證明了機器人在深海、極地、高沖擊性等惡劣及特種環(huán)境下，具有較好的發(fā)展應(yīng)用前景。然而團隊還是想以實地的海洋試驗來驗證整個系統(tǒng)和技術(shù)的高可靠性。
2019年12月，仿生軟體機器魚首次成功在馬里亞納海溝坐底，機器魚隨深海著陸器下潛到約10900米的海底后，在2500毫安時單節(jié)鋰電池的驅(qū)動下，按照預(yù)定指令拍動翅膀，撲翼運動長達(dá)45分鐘，成功實現(xiàn)了電驅(qū)動軟體機器魚的深海驅(qū)動。
馬里亞納海溝10900米深海驅(qū)動試驗
科學(xué)探索永無止境。2020年團隊克服了新冠疫情和極端惡劣天氣影響，進(jìn)行了多次海試。在一次深海游動試驗中，團隊為避開超強臺風(fēng)在南海上漂了多天，參加此次海試的李國瑞和陳祥平說，夜里海況條件突然轉(zhuǎn)好，他們就在凌晨的時間窗口時分開始了緊張實驗。“凌晨三點鐘，我們在主控室里，一分一秒地等待機器魚在海底啟動。當(dāng)看到成功完成預(yù)定游動時，懸著的心終于放了下來，數(shù)年的艱難探索取得了里程碑式進(jìn)展。”李國瑞說，海試讓技術(shù)從實驗室更快地走向?qū)嵱谩?/span>
南海3224米深海游動試驗
論文審稿人認(rèn)為，該工作會很大程度推進(jìn)深海機器人的研究進(jìn)展。李鐵風(fēng)介紹，這項研究為深海探測作業(yè)、環(huán)境的觀察和深海生物的科考提供了新的解決方案，有望大幅提升深海智能裝備和機器人的應(yīng)用能力，讓柔性智能設(shè)備從常規(guī)環(huán)境走向深海作業(yè)等多樣任務(wù)與復(fù)雜場景，又邁出了堅實的一步。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-03153-z
