作者:任芳言 来源:中国科学报 发布时间:2021/3/4 1:09:06
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软体机器鱼打卡万米深海

 

能在万米海底承受住压力的机器人得多硬核?事实可能正相反。

3月4日,《自然》杂志封面介绍了一种以深海狮子鱼为灵感的软体机器鱼——它长宽约合一张A4纸,略重于两个鸡蛋,身形轻柔灵动,却能承受1100个大气压的压力。

“用一个不太恰当的比方,这相当于一吨重的小汽车全压在一根手指尖上”,论文通讯作者、浙江大学航空航天学院教授李铁风告诉《中国科学报》。

海试结果表明,软体机器鱼可在10900米深的海底正常工作、在3224米深的海水中畅游。“我们的目标就是实现深潜器的小型化、柔性化、智能化”,论文第一作者之一、之江实验室助理研究员李国瑞表示。

软体机器鱼身形与狮子鱼非常相似。(图片来源:《自然》)

以柔克刚,不来硬的

深海环境压强大、温度低、未知因素众多,为了保护元器件或机电设备、让机器人在超强压力下正常工作,传统设计思路往往会考虑“硬扛”,用金属作耐压壳保护。

不同于以往的研究,李铁风与合作者的思路是“以柔克刚”,他们看到中科院深海所从马里亚纳海沟带回的狮子鱼样本,受这种生存在8000米深海处生物的启发,开发出一种无需耐压壳保护的深海软体机器人。

深海狮子鱼的骨骼结构 (图片来源:李铁风课题组)

李铁风介绍,狮子鱼的头部骨骼分散地嵌在软组织内,而仿生机器鱼的一大设计亮点就是模仿狮子鱼分散的头部骨骼结构。

而为了更接近狮子鱼的软组织质地,研究组选择用硅胶打造机器鱼的骨架。这种透明的凝胶状材料密度接近于水,质地软、韧性高,能将电池、控制电路等硬质器件温柔地包裹住。

“我们将功能性的电子电路最大程度地分散在软硅胶中,通过参数调节和结构设计,调控实现机器鱼内部的应力水平。”李国瑞解释,尽可能分散地排布元器件,能够减少它们彼此间的剪切应力。

如此一来,机器鱼即便没有刚性外壳保护,也能适应极高的静水压力。告别了沉重的金属壳,机器鱼的身姿更轻盈,机动性也有所改善。如今人们见到的机器鱼成品长22厘米、翼展宽度28厘米,重量仅150克,接近2-3只鸡蛋。

人工肌肉,巧妙驱动

克服了深海压力问题,还要让机器鱼在水中动起来。为此,除了编写预设程序、将电源控制系统置于机器鱼内,研究团队还为机器鱼的鱼鳍花了一番功夫。

有别于狮子鱼行进时波浪起伏的鳍,机器鱼的行进状态更像魔鬼鱼,鱼鳍仿佛两个翅膀上下扑动。这翅膀实为一种电驱动的人工肌肉,看起来像一层薄透的膜。这一高分子柔性材料由浙大化学工程与生物工程学院教授罗英武等人合作研发,克服了高压低温条件下电驱动能力衰减的问题。

李铁风介绍,机器人以海水为低压端电极,机器鱼体内的电源在人工肌肉内外两侧形成电势差,薄薄的鳍便会因此舒张、收缩形变。靠预设好的程序,机器鱼就能悠然地展开双鳍,在深海中行进游动。

除了在实验室内的上百次深水实验,团队先后于2019年、2020年分别在马里亚纳海沟和中国南海进行海试。结果表明,凭借这种人工肌肉,机器鱼仍能在0-4摄氏度低温、110兆帕高压的环境下正常工作。

马里亚纳海沟10900米深海海试(图片来源:《自然》)

南海3224米深海海试(图片来源:《自然》)

更低成本,海角遨游

“这项工作会在很大程度上推进深海机器人的研究进步。”论文审稿人如是评价。因为创新性的设计理念、自主研发的特殊材料,机器鱼的成本也变得更低廉。

告别了传统设计思路,机器鱼不再需要用昂贵的钛合金做耐压壳,单这一项便可省去不少成本。李国瑞告诉记者,与传统的深海机器人相比,新论文中展示的机器鱼成本要小得多,单台成本可控制在万元以内。

“这项研究能为深海探测作业、环境观察和深海生物科考提供新的解决方案”,李铁风表示,未来,研究团队还将继续致力于提升深海装备和机器人的应用能力,让柔性智能设备适用于深海作业等更复杂的场景。

 
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