適應(yīng)萬米靜水壓的軟體機(jī)器人

導(dǎo)讀

北京時(shí)間2021年3月4日，國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》封面發(fā)表之江實(shí)驗(yàn)室與浙江大學(xué)合作的仿生深海軟體機(jī)器人最新研究：馬里亞納海溝的自驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人（Self-powered soft robot in the Mariana Trench）。該研究團(tuán)隊(duì)率先實(shí)現(xiàn)了軟體機(jī)器人的萬米深海操控以及深海自主游動(dòng)實(shí)驗(yàn)！

▍適應(yīng)萬米靜水壓的軟體機(jī)器人

由于極端的靜水壓力，深海區(qū)域人們基本很難探測(cè)。位于西太平洋的馬里亞納海溝是已知的海洋最深處，水壓高、溫度低、完全黑暗，被稱為“地球第四極”。隨著深潛技術(shù)的不斷發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，茫茫深海并非一片死寂，在馬里亞納海溝6000—11000米之間的極高壓深水區(qū)，仍有數(shù)百種物種生存，獅子魚（snailfish）就是其中的典型代表。

鈍口擬獅子魚

生物學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，獅子魚的骨骼細(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，相當(dāng)1000個(gè)大氣壓強(qiáng)。打個(gè)不恰當(dāng)?shù)谋确剑@巨大的壓力相當(dāng)于約一噸重的小汽車全壓在指尖上。“獅子魚的奇特構(gòu)造帶給我們很大啟發(fā)。如果能將深海的‘生命奧秘’化作‘機(jī)器之力’，我們就可以研發(fā)出自適應(yīng)深海極端環(huán)境的仿生、軟體、小型化智能深海機(jī)器人，既可助力深海探索，又能發(fā)展新型機(jī)器人與智能裝備?！痹撜撐牡谝蛔髡摺瓕?shí)驗(yàn)室智能機(jī)器人研究中心的高級(jí)研究專員李國(guó)瑞談及研發(fā)初心仍難抑制興奮之情。

明確了研究方向，2018年5月，之江實(shí)驗(yàn)室智能機(jī)器人研究中心與浙江大學(xué)交叉力學(xué)中心李鐵風(fēng)教授團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)了以獅子魚為原型的仿生深海軟體機(jī)器人研究。基于獅子魚頭部骨骼在軟組織中的分散融合這一特點(diǎn)，項(xiàng)目組對(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)，優(yōu)化了在高壓環(huán)境下機(jī)器人體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)。項(xiàng)目組研發(fā)的這臺(tái)仿生深海軟體機(jī)器人形似一條魚，長(zhǎng)22cm，翼展寬度28cm，大約為一張A4紙的長(zhǎng)寬。控制電路、電池等硬質(zhì)器件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)器人無需耐壓外殼，便能承受萬米級(jí)別的深海靜水壓力。

仿生獅子魚深海軟體機(jī)器人

軟體機(jī)器人在測(cè)試在 110 MPa 的靜水壓力中測(cè)試

相比于傳統(tǒng)的‘鎧甲式’抗高壓深潛裝備，研究團(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。

▍創(chuàng)新“智能人工肌肉驅(qū)動(dòng)”

深海機(jī)器人是如何實(shí)現(xiàn)推進(jìn)的呢？機(jī)器人依靠的是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（Dielectric elastomer，DE muscle）。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”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)。

然而，要實(shí)現(xiàn)介電彈性體在深海中的驅(qū)動(dòng)，還需克服在高壓和低溫條件下高分子材料的電驅(qū)動(dòng)性能衰減問題。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院羅英武教授團(tuán)隊(duì)合作，研制了一種能適應(yīng)深海低溫、高壓等極端環(huán)境的電驅(qū)動(dòng)人工肌肉，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?！拔覀兊牧硪粋€(gè)研究突破就在于設(shè)計(jì)了一種能在高壓低溫環(huán)境下依然能保持良好電驅(qū)動(dòng)性能的電驅(qū)動(dòng)智能軟材料?！崩铊F風(fēng)教授說。

總結(jié)來說，適應(yīng)深海靜水壓力的軟-硬融合機(jī)器系統(tǒng)，適用于深海高壓低溫環(huán)境的新型介電高彈體驅(qū)動(dòng)器，兩項(xiàng)技術(shù)突破造就了這臺(tái)全新的仿生深海軟體機(jī)器人。

機(jī)器人設(shè)計(jì)與深海試驗(yàn)

▍軟體機(jī)器人應(yīng)用前景廣闊

在研究歷程中，系列的數(shù)值計(jì)算和大量的壓力環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)驗(yàn)證了方案的可行性。為了進(jìn)一步證實(shí)機(jī)器人在深海實(shí)地環(huán)境下的可靠性，在上海海洋大學(xué)、中科院深海所、大連海事大學(xué)、廣東海洋地質(zhì)調(diào)查局等單位的合力支持下，項(xiàng)目組研發(fā)的仿生機(jī)器人先后在馬里亞納海溝、中國(guó)南海等海域開展深海海試。

2019年12月，仿生深海軟體機(jī)器人在馬里亞納海溝坐底，海試影像記錄顯示，在馬里亞納海溝10900米海深處，該機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定撲翼驅(qū)動(dòng)。在2020年8月27日深夜，該軟體機(jī)器人在南海3224m海深處成功實(shí)現(xiàn)了自主游動(dòng)。

“我們的機(jī)器人在深海、極地、高沖擊性等惡劣及特種環(huán)境下，具有良好的發(fā)展應(yīng)用前景?！崩顕?guó)瑞表示。未來，項(xiàng)目組將繼續(xù)研究深海軟體智能設(shè)備的能源、驅(qū)動(dòng)、感知一體化系統(tǒng)，提升仿生深海軟體機(jī)器人的智能性，同時(shí)降低應(yīng)用成本。”

研究人員表示，此次取得的實(shí)驗(yàn)成功有可能擴(kuò)展到各種其他軟設(shè)備上，未來如果集成額外的功能單元或重新排列電路則有望產(chǎn)生多種附加功能，例如深海中的傳感和通信。

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