位于西太平洋的馬里亞納海溝，水深可達(dá)11000米，是已知的海洋最深處。要涉足這無(wú)人之境，人造機(jī)器須配備耐壓的“盔甲”，用以抵抗強(qiáng)大水壓，深海生物卻僅憑自身的奇特構(gòu)造，能在深海行動(dòng)自如。能否從深海生物獲得啟發(fā)，將“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，助力人類(lèi)探索深海?

3月4日，《自然》以封面文章形式刊發(fā)了浙江大學(xué)航空航天學(xué)院交叉力學(xué)中心李鐵風(fēng)教授團(tuán)隊(duì)與之江實(shí)驗(yàn)室合作的最新成果。聯(lián)合團(tuán)隊(duì)率先提出機(jī)電系統(tǒng)軟硬共融的壓力適應(yīng)原理，成功研制出無(wú)需耐壓外殼的仿生軟體智能機(jī)器人，并首次實(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。”論文第一作者、之江實(shí)驗(yàn)室智能機(jī)器人研究中心高級(jí)研究專(zhuān)員李國(guó)瑞說(shuō)。

模擬深海獅子魚(yú) 適應(yīng)110兆帕靜水壓

水深萬(wàn)米的海底壓力有多大?在10900米的海底，靜水壓高約110兆帕，相當(dāng)于1100個(gè)大氣壓。用一個(gè)不太恰當(dāng)?shù)谋确?，相?dāng)于一噸重的小汽車(chē)全壓在指尖上。

生物學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在馬里亞納海溝6000米到10000米之間的深度區(qū)域，仍有數(shù)百種物種生存，獅子魚(yú)就是其中的一種。獅子魚(yú)的骨骼細(xì)碎狀地分布在凝膠狀柔軟的身體中，能承受近百兆帕的壓力。

“獅子魚(yú)的奇特構(gòu)造帶給我們很大啟發(fā)，2015年就有了研究設(shè)想。”李鐵風(fēng)介紹，2018年5月，浙江大學(xué)交叉力學(xué)中心李鐵風(fēng)教授團(tuán)隊(duì)和之江實(shí)驗(yàn)室智能機(jī)器人研究中心正式啟動(dòng)了以獅子魚(yú)為原型的仿生深海軟體機(jī)器人研究。

“長(zhǎng)22cm翼展寬度28cm，大約為-張A4 紙的長(zhǎng)寬。”李鐵風(fēng)向記者展示了這款仿生軟體智能機(jī)器魚(yú)。他介紹道，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(guò)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)器魚(yú)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。

過(guò)去，開(kāi)展深海探測(cè)的設(shè)備需要高強(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。此次研究，科研團(tuán)隊(duì)采用了“以柔克剛”的策略，通過(guò)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?xún)?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。

“相比于傳統(tǒng)的‘鎧甲式’抗高壓深潛裝備，團(tuán)隊(duì)以全新技術(shù)路線研制仿生深海軟體機(jī)器人，爭(zhēng)取大幅降低深海探測(cè)的難度和成本。”李國(guó)瑞說(shuō)。

撲翼45分鐘  智能化驅(qū)動(dòng)人工肌肉

2019年12月，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)研制的仿生軟體機(jī)器魚(yú)首次成功在馬里亞納海溝坐底，機(jī)器魚(yú)隨深海著陸器下潛到約10900米的海底后，在單節(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(yú)的深海驅(qū)動(dòng)。

潛入深海，仿生機(jī)器魚(yú)如何實(shí)現(xiàn)智能化驅(qū)動(dòng)?記者了解到，關(guān)鍵在于機(jī)器魚(yú)自身攜帶的小型化能源控制系統(tǒng)及兩翼中間橢圓形部位的介電彈性體人工肌肉。

采訪現(xiàn)場(chǎng)，李鐵風(fēng)指著機(jī)器魚(yú)“魚(yú)翅根部”的兩塊黑色材料說(shuō)，這是軟體人工肌肉，可驅(qū)動(dòng)一對(duì)翅膀狀的柔性胸鰭，通過(guò)節(jié)律性撲翅讓機(jī)器魚(yú)實(shí)現(xiàn)游動(dòng)。“機(jī)器魚(yú)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(wèn)題。”

據(jù)了解，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參與研制了能適應(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。當(dāng)硅膠體中的電子器件產(chǎn)生電信號(hào)時(shí)，介電彈性體會(huì)在該電壓信號(hào)的刺激下產(chǎn)生像肌肉一樣的變形模式，“仿生機(jī)器魚(yú)”的雙翼就會(huì)隨著肌肉的伸縮進(jìn)行撲翼運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。

團(tuán)隊(duì)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(yú)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)。

數(shù)次挑戰(zhàn)深淵 機(jī)器魚(yú)應(yīng)用前景廣闊

記者了解到，在研制過(guò)程中，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)通過(guò)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。

“挑戰(zhàn)‘打卡’馬里亞納海溝，我們?yōu)闄C(jī)器魚(yú)設(shè)計(jì)的探測(cè)深度就是水下11000米。”李鐵風(fēng)表示，團(tuán)隊(duì)還在南海海域進(jìn)行了3224米的機(jī)器魚(yú)深海游動(dòng)試驗(yàn)，以實(shí)地的海洋試驗(yàn)來(lái)持續(xù)驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)和技術(shù)的高可靠性。

2020年，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多次海試，為的是讓技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室更快地走向?qū)嵱?，?duì)其能源、驅(qū)動(dòng)、感知一體化系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，該技術(shù)或可嘗試運(yùn)用到深潛器上，實(shí)現(xiàn)深海通訊、深海檢測(cè)等功能。

“這種‘剛?cè)崛诤?rsquo;的設(shè)計(jì)思路，還可以根據(jù)不同場(chǎng)景需求，沿用到其他類(lèi)型的軟體機(jī)器人研發(fā)上。”李鐵風(fēng)表示，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。(洪恒飛 吳雅蘭 柯溢能 記者 江耘)

關(guān)鍵詞： 馬里亞納海溝