能在萬(wàn)米海底承受住壓力的機(jī)器人有多“硬核”?事實(shí)可能正相反。

日前，《自然》雜志封面介紹了一種以深海獅子魚(yú)為靈感的軟體機(jī)器魚(yú)——它長(zhǎng)寬約合一張A4紙大小，略重于兩枚雞蛋，身形輕柔靈動(dòng)，卻能承受1100個(gè)大氣壓的壓力。“用一個(gè)不太恰當(dāng)?shù)谋确剑@相當(dāng)于1噸重的小汽車全壓在一根手指尖上。”論文通訊作者、浙江大學(xué)航空航天學(xué)院教授李鐵風(fēng)告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

海試結(jié)果表明，軟體機(jī)器魚(yú)可在10900米深的海底正常工作、在3224米深的海水中暢游。“我們的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)深潛器小型化、柔性化、智能化。”論文第一作者之一、之江實(shí)驗(yàn)室助理研究員李國(guó)瑞表示。

以柔克剛 以魚(yú)為“師”

壓強(qiáng)大、溫度低、未知因素眾多……為了在深海環(huán)境中保護(hù)元器件或機(jī)電設(shè)備，讓機(jī)器人在超強(qiáng)壓力下正常工作，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路往往考慮“硬扛”，用金屬做耐壓殼進(jìn)行保護(hù)。

不同于以往的研究，李鐵風(fēng)與合作者的思路是“以柔克剛”。他們看到中科院深海科學(xué)與工程研究所從馬里亞納海溝帶回的獅子魚(yú)樣本，受這種在8000米深海生存的生物啟發(fā)，開(kāi)發(fā)出一種無(wú)需耐壓殼保護(hù)的深海軟體機(jī)器魚(yú)。

李鐵風(fēng)介紹，獅子魚(yú)的頭部骨骼分散地嵌在軟組織內(nèi)，而仿生機(jī)器魚(yú)一大設(shè)計(jì)亮點(diǎn)就是模仿獅子魚(yú)分散的頭部骨骼結(jié)構(gòu)。

而為了更接近獅子魚(yú)的軟組織質(zhì)地，研究團(tuán)隊(duì)選擇用硅膠打造機(jī)器魚(yú)的骨架。這種透明的凝膠狀材料密度接近水，質(zhì)地軟、韌性高，能將電池、控制電路等硬質(zhì)器件“溫柔”地包裹住。

“我們將功能性電子電路最大程度地分散在軟硅膠中，通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚(yú)內(nèi)部的應(yīng)力水平平衡。”李國(guó)瑞解釋說(shuō)，盡可能分散排布元器件，能夠減少它們彼此間的剪切應(yīng)力。

如此一來(lái)，機(jī)器魚(yú)即便沒(méi)有剛性外殼保護(hù)，也能適應(yīng)極高的靜水壓力。告別了沉重的金屬殼，機(jī)器魚(yú)身姿更輕盈，機(jī)動(dòng)性也有所改善。如今人們見(jiàn)到的機(jī)器魚(yú)成品長(zhǎng)22厘米、翼展寬度28厘米，重量?jī)H150克，接近2~3枚雞蛋。

人工肌肉 巧妙驅(qū)動(dòng)

克服了深海壓力問(wèn)題，還得讓機(jī)器魚(yú)在水中動(dòng)起來(lái)。為此，除了編寫(xiě)預(yù)設(shè)程序、將電源控制系統(tǒng)置于機(jī)器魚(yú)內(nèi)，研究團(tuán)隊(duì)還為機(jī)器魚(yú)的魚(yú)鰭花了一番功夫。

有別于獅子魚(yú)行進(jìn)時(shí)波浪起伏的鰭，機(jī)器魚(yú)的行進(jìn)狀態(tài)更像魔鬼魚(yú)，魚(yú)鰭仿佛兩只翅膀上下扇動(dòng)。它的“翅膀”實(shí)為一種電驅(qū)動(dòng)的人工肌肉，看起來(lái)像一層薄透的膜。這一高分子柔性材料由浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院教授羅英武等人合作研發(fā)，克服了高壓低溫條件下電驅(qū)動(dòng)能力衰減的問(wèn)題。

李鐵風(fēng)介紹，機(jī)器魚(yú)以海水為低壓端電極，體內(nèi)的電源在人工肌肉內(nèi)外兩側(cè)形成電勢(shì)差，薄薄的鰭因此舒張、收縮形變。依靠預(yù)設(shè)好的程序，機(jī)器魚(yú)就能悠然展開(kāi)雙鰭，在深海中行進(jìn)游動(dòng)。

除了在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的上百次深水實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)先后于2019年、2020年分別在馬里亞納海溝和中國(guó)南海進(jìn)行海試。結(jié)果表明，憑借這種人工肌肉，機(jī)器魚(yú)在0~4攝氏度低溫、110兆帕高壓的環(huán)境下仍能正常工作。

更低成本 深海遨游

“這項(xiàng)工作會(huì)在很大程度上推進(jìn)深海機(jī)器人的研究進(jìn)步。”論文審稿人如是評(píng)價(jià)。因?yàn)閯?chuàng)新性的設(shè)計(jì)理念、自主研發(fā)的特殊材料，機(jī)器魚(yú)的成本也變得更低廉。

告別了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，機(jī)器魚(yú)不再需要用昂貴的鈦合金做耐壓殼，僅這一項(xiàng)便可省去不少成本。李國(guó)瑞告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，與傳統(tǒng)深海機(jī)器人相比，新論文展示的機(jī)器魚(yú)成本小得多，單臺(tái)成本可控制在萬(wàn)元以內(nèi)。

“這項(xiàng)研究能為深海探測(cè)作業(yè)、環(huán)境觀察和深海生物科考提供新的解決方案。”李鐵風(fēng)表示，未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)還將繼續(xù)致力于提升深海裝備和機(jī)器人的應(yīng)用能力，讓柔性智能設(shè)備適用于深海作業(yè)等更復(fù)雜的場(chǎng)景。(見(jiàn)習(xí)記者 任芳言)