馬里亞納海溝，地球最深處。要涉足這無(wú)人之境，人造機(jī)器若沒有耐壓的“盔甲”，都會(huì)被強(qiáng)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(wú)恙。若能由深海生物啟發(fā)，把“生命之秘”化作“機(jī)器之力”，研發(fā)能自適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的智能機(jī)器，則既可助力深海探索，又能發(fā)展新型機(jī)器人與智能裝備。
Self-powered soft robot inthe Mariana Trench. Nature 591, 66–71 (2021).
軟體機(jī)器魚在高靜水壓下游動(dòng)
浙江大學(xué)航空航天學(xué)院李鐵風(fēng)教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合之江實(shí)驗(yàn)室，與合作單位開展跨學(xué)科交叉研究，率先提出機(jī)電系統(tǒng)軟-硬共融的壓力適應(yīng)原理，成功研制了無(wú)需耐壓外殼的仿生軟體智能機(jī)器人，首次實(shí)現(xiàn)了在萬(wàn)米深海自帶能源軟體人工肌肉驅(qū)控和軟體機(jī)器人深海自主游動(dòng)。這種環(huán)境自適應(yīng)的仿生軟體機(jī)器人和智能系統(tǒng)，將為深海探索科考、環(huán)境監(jiān)測(cè)與資源勘探提供解決方案，為復(fù)雜環(huán)境與任務(wù)下機(jī)器人及智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供新思路。
這項(xiàng)研究成果于3月4日，作為封面文章刊發(fā)在國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》。之江實(shí)驗(yàn)室研究人員李國(guó)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(guó)瑞，陳祥平，周方浩，梁藝?guó)Q）討論機(jī)器人設(shè)計(jì)
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(wàn)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(gè)大氣壓。用一個(gè)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(qiáng)度的金屬外殼（如鈦合金）或壓力補(bǔ)償系統(tǒng)來(lái)保護(hù)，才能克服深海的極高靜水壓。
而李鐵風(fēng)團(tuán)隊(duì)研制的仿生軟體機(jī)器魚，由軟體人工肌肉驅(qū)動(dòng)一對(duì)翅膀狀的柔性胸鰭，通過節(jié)律性撲翅實(shí)現(xiàn)游動(dòng)。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(jī)身中；通過設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器件和軟體的材料與結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人無(wú)需耐壓外殼，就可以承受萬(wàn)米級(jí)別的深海靜水壓力。
仿生獅子魚深海軟體機(jī)器人
記者在現(xiàn)場(chǎng)看到，這款仿生軟體智能機(jī)器魚，形似一條深海獅子魚，長(zhǎng)22cm，翼展寬度28cm，大約為一張A4紙的長(zhǎng)寬。科研團(tuán)隊(duì)如何實(shí)現(xiàn)適應(yīng)超強(qiáng)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(tuán)隊(duì)采用了“以柔克剛”的策略。項(xiàng)目合作方中科院深海研究所何舜平團(tuán)隊(duì)在馬里亞納海溝捕獲的深海獅子魚樣本，也為機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了仿生啟發(fā)。
通過對(duì)深海獅子魚的結(jié)構(gòu)分析，團(tuán)隊(duì)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(dòng)。
團(tuán)隊(duì)由此啟發(fā)對(duì)電子器件和軟基體的結(jié)構(gòu)、材料進(jìn)行力學(xué)設(shè)計(jì)，可以優(yōu)化在高壓環(huán)境下機(jī)器人體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，從而使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)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(shí)現(xiàn)深潛器的小型化、柔性化、智能化，大幅降低深海探測(cè)的難度和成本。”李鐵風(fēng)說。
2.突破極限，“軟肌肉-智驅(qū)動(dòng)”
如何讓軟體機(jī)器人智能驅(qū)動(dòng)，這是李鐵風(fēng)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期攻關(guān)的重要方向。
記者在現(xiàn)場(chǎng)看到，機(jī)器魚通過放大狀的魚鰭，像翅膀那樣扇動(dòng)向前推進(jìn)。要在深海中驅(qū)動(dòng)，還需克服高分子材料在高壓和低溫時(shí)電驅(qū)動(dòng)能力衰減的問題。團(tuán)隊(duì)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(dòng)人工肌肉，在高壓低溫環(huán)境下依然能保持良好電驅(qū)動(dòng)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(dòng)人工肌肉也是團(tuán)隊(duì)研究工作的另一個(gè)重要突破。
驅(qū)動(dòng)模擬
那么“翅膀”的撲動(dòng)是怎么實(shí)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(jī)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(shì)差，讓高分子薄膜發(fā)生舒張與收縮形變，這樣一來(lái)“翅膀”就能上下拍動(dòng)，推動(dòng)機(jī)器魚水中前行。
“力學(xué)是一門古老而傳統(tǒng)的學(xué)科，這個(gè)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)室的科研力量外，浙大的機(jī)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(gè)研究團(tuán)隊(duì)都參與了該項(xiàng)目研究。
3.探索無(wú)止境，魚翔萬(wàn)米深淵
在研制過程中，團(tuán)隊(duì)通過大量的壓力環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證材料和結(jié)構(gòu)的可行性，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下證明了機(jī)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(tuán)隊(duì)還是想以實(shí)地的海洋試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)和技術(shù)的高可靠性。
2019年12月，仿生軟體機(jī)器魚首次成功在馬里亞納海溝坐底，機(jī)器魚隨深海著陸器下潛到約10900米的海底后，在2500毫安時(shí)單節(jié)鋰電池的驅(qū)動(dòng)下，按照預(yù)定指令拍動(dòng)翅膀，撲翼運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)達(dá)45分鐘，成功實(shí)現(xiàn)了電驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器魚的深海驅(qū)動(dòng)。
馬里亞納海溝10900米深海驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)
科學(xué)探索永無(wú)止境。2020年團(tuán)隊(duì)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(dòng)試驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)為避開超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)在南海上漂了多天，參加此次海試的李國(guó)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(shí)間窗口時(shí)分開始了緊張實(shí)驗(yàn)。“凌晨三點(diǎn)鐘，我們?cè)谥骺厥依铮环忠幻氲氐却龣C(jī)器魚在海底啟動(dòng)。當(dāng)看到成功完成預(yù)定游動(dòng)時(shí)，懸著的心終于放了下來(lái)，數(shù)年的艱難探索取得了里程碑式進(jìn)展。”李國(guó)瑞說，海試讓技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室更快地走向?qū)嵱谩?/span>
南海3224米深海游動(dòng)試驗(yàn)
論文審稿人認(rèn)為，該工作會(huì)很大程度推進(jìn)深海機(jī)器人的研究進(jìn)展。李鐵風(fēng)介紹，這項(xiàng)研究為深海探測(cè)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(jī)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(chǎng)景，又邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-03153-z
