位于西太平洋的馬里亞納海溝，水深可達11000米，是已知的海洋最深處。要涉足這無人之境，人造機器須配備耐壓的“盔甲”，用以抵抗強大水壓，深海生物卻僅憑自身的奇特構造，能在深海行動自如。能否從深海生物獲得啟發(fā)，將“生命之秘”化作“機器之力”，研發(fā)能自適應復雜環(huán)境的智能機器，助力人類探索深海?

3月4日，《自然》以封面文章形式刊發(fā)了浙江大學航空航天學院交叉力學中心李鐵風教授團隊與之江實驗室合作的最新成果。聯合團隊率先提出機電系統軟硬共融的壓力適應原理，成功研制出無需耐壓外殼的仿生軟體智能機器人，并首次實現了在萬米深海自帶能源軟體人工肌肉驅控和軟體機器人深海自主游動。

“這種環(huán)境自適應的仿生軟體機器人系統，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，為復雜環(huán)境與任務下機器人及智能系統設計提供新思路。”論文第一作者、之江實驗室智能機器人研究中心高級研究專員李國瑞說。

模擬深海獅子魚 適應110兆帕靜水壓

水深萬米的海底壓力有多大?在10900米的海底，靜水壓高約110兆帕，相當于1100個大氣壓。用一個不太恰當的比方，相當于一噸重的小汽車全壓在指尖上。

生物學研究發(fā)現，在馬里亞納海溝6000米到10000米之間的深度區(qū)域，仍有數百種物種生存，獅子魚就是其中的一種。獅子魚的骨骼細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。

“獅子魚的奇特構造帶給我們很大啟發(fā)，2015年就有了研究設想。”李鐵風介紹，2018年5月，浙江大學交叉力學中心李鐵風教授團隊和之江實驗室智能機器人研究中心正式啟動了以獅子魚為原型的仿生深海軟體機器人研究。

“長22cm翼展寬度28cm，大約為-張A4 紙的長寬。”李鐵風向記者展示了這款仿生軟體智能機器魚。他介紹道，控制電路、電池等硬質器件則被融入集成在凝膠狀的軟體機身中;通過設計調節(jié)器件和軟體的材料與結構，實現了機器魚無需耐壓外殼，就可以承受萬米級別的深海靜水壓力。

過去，開展深海探測的設備需要高強度的金屬外殼(如鈦合金)或壓力補償系統來保護，才能克服深海的極高靜水壓。此次研究，科研團隊采用了“以柔克剛”的策略，通過對電子器件和軟基體的結構、材料進行力學設計，可以優(yōu)化在高壓環(huán)境下機器人體內的應力狀態(tài)，從而使整個系統無需外殼保護即可適應高靜水壓力。

“相比于傳統的‘鎧甲式’抗高壓深潛裝備，團隊以全新技術路線研制仿生深海軟體機器人，爭取大幅降低深海探測的難度和成本。”李國瑞說。

撲翼45分鐘  智能化驅動人工肌肉

2019年12月，聯合團隊研制的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，在單節(jié)鋰電池的驅動下，按照預定指令拍動翅膀，撲翼運動長達45分鐘，成功實現了電驅動軟體機器魚的深海驅動。

潛入深海，仿生機器魚如何實現智能化驅動?記者了解到，關鍵在于機器魚自身攜帶的小型化能源控制系統及兩翼中間橢圓形部位的介電彈性體人工肌肉。

采訪現場，李鐵風指著機器魚“魚翅根部”的兩塊黑色材料說，這是軟體人工肌肉，可驅動一對翅膀狀的柔性胸鰭，通過節(jié)律性撲翅讓機器魚實現游動。“機器魚要在深海中驅動，還需克服高分子材料在高壓和低溫時電驅動能力衰減的問題。”

據了解，浙江大學化學工程與生物工程學院羅英武教授課題組參與研制了能適應深海低溫、高壓等極端環(huán)境的電驅動人工肌肉，在高壓低溫環(huán)境下依然能保持良好電驅動性能，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。

這款電驅動人工肌肉也是團隊研究工作的另一個重要突破。當硅膠體中的電子器件產生電信號時，介電彈性體會在該電壓信號的刺激下產生像肌肉一樣的變形模式，“仿生機器魚”的雙翼就會隨著肌肉的伸縮進行撲翼運動，驅動機器人前進。

團隊巧妙地利用了圍繞在人工肌肉外的海水作為離子導電負極，由機器魚自帶能源在人工肌肉內外側厚度方向產生電勢差，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。

數次挑戰(zhàn)深淵 機器魚應用前景廣闊

記者了解到，在研制過程中，聯合團隊通過大量的壓力環(huán)境模擬實驗來驗證材料和結構的可行性，已經在實驗環(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)展應用前景。

“挑戰(zhàn)‘打卡’馬里亞納海溝，我們?yōu)闄C器魚設計的探測深度就是水下11000米。”李鐵風表示，團隊還在南海海域進行了3224米的機器魚深海游動試驗，以實地的海洋試驗來持續(xù)驗證整個系統和技術的高可靠性。

2020年，團隊進行了多次海試，為的是讓技術從實驗室更快地走向實用，對其能源、驅動、感知一體化系統進一步優(yōu)化，該技術或可嘗試運用到深潛器上，實現深海通訊、深海檢測等功能。

“這種‘剛柔融合’的設計思路，還可以根據不同場景需求，沿用到其他類型的軟體機器人研發(fā)上。”李鐵風表示，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用能力，讓柔性智能設備從常規(guī)環(huán)境走向深海作業(yè)等多樣任務與復雜場景。(洪恒飛 吳雅蘭 柯溢能 記者 江耘)

關鍵詞： 馬里亞納海溝