要涉足馬里亞納海溝，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(gòu)造，能在深海行動自如。
3月22日記者從浙江大學獲悉，《自然》以封面文章形式刊發(fā)了該校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(lián)合團隊率先提出機電系統(tǒng)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(xiàn)了在萬米深海自帶能源軟體人工肌肉驅(qū)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(tǒng)，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(tǒng)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
此次研究，科研團隊通過對電子器件和軟基體的結(jié)構(gòu)、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(nèi)的應力狀態(tài)，從而使機器人整個系統(tǒng)無需外殼保護即可適應高靜水壓力。
在10900米的海底，靜水壓高約110兆帕，相當于1100個大氣壓。用一個通俗的比方，相當于一噸重的小汽車全壓在指尖上。生物學研究發(fā)現(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(gòu)造帶給我們很大啟發(fā)，2015年我們就有了研究設想。”李鐵風介紹，2018年5月，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。
李鐵風介紹道，這一機器魚的控制電路、電池等硬質(zhì)器件被融入集成在凝膠狀的軟體機身中，通過設計調(diào)節(jié)器件和軟體的材料與結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)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。
撲翼45分鐘 智能化驅(qū)動人工肌肉
2019年12月，聯(lián)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(qū)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(xiàn)了電驅(qū)動軟體機器魚的深海驅(qū)動。
潛入深海，仿生機器魚實現(xiàn)智能化驅(qū)動，關鍵在于機器魚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。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(qū)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(xiàn)游動。“機器魚要在深海中驅(qū)動，還需克服高分子材料在高壓和低溫時電驅(qū)動能力衰減的問題。”
據(jù)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的能適應深海低溫、高壓等極端環(huán)境的電驅(qū)動人工肌肉，在高壓低溫環(huán)境下依然能保持良好電驅(qū)動性能，即便在馬里亞納海溝的低溫、高壓環(huán)境下依舊能正常工作。
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(nèi)外側(cè)厚度方向產(chǎn)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，驅(qū)動機器魚前進。
數(shù)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(lián)合團隊通過大量的壓力環(huán)境模擬實驗來驗證材料和結(jié)構(gòu)的可行性，已經(jīng)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(tǒng)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?qū)嵱茫瑢ζ淠茉础Ⅱ?qū)動、感知一體化系統(tǒng)進一步優(yōu)化，該技術或可嘗試運用到深潛器上，實現(xiàn)深海通訊、深海檢測等功能。
“這種‘剛?cè)崛诤稀脑O計思路，還可以根據(jù)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)境觀察和深海生物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。（江 耘）
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