能在萬米海底承受住壓力的機器人得多硬核？事實可能正相反 。
3月4日，《自然》雜志封面介紹了一種以深海獅子魚為靈感的軟體機器魚——它長寬約合一張A4紙，略重于兩個雞蛋，身形輕柔靈動，卻能承受1100個大氣壓的壓力 。
“用一個不太恰當(dāng)?shù)谋确剑@相當(dāng)于一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《中國科學(xué)報》 。
海試結(jié)果表明，軟體機器魚可在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)就是實現(xiàn)深潛器的小型化、柔性化、智能化”，論文第一作者之一、之江實驗室助理研究員李國瑞表示 。
以柔克剛，不來硬的
深海環(huán)境壓強大、溫度低、未知因素眾多，為了保護元器件或機電設(shè)備、讓機器人在超強壓力下正常工作，傳統(tǒng)設(shè)計思路往往會考慮“硬扛”，用金屬作耐壓殼保護 。
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所從馬里亞納海溝帶回的獅子魚樣本，受這種生存在8000米深海處生物的啟發(fā)，開發(fā)出一種無需耐壓殼保護的深海軟體機器人 。
深海獅子魚的骨骼結(jié)構(gòu) （圖片來源：李鐵風(fēng)課題組）
李鐵風(fēng)介紹，獅子魚的頭部骨骼分散地嵌在軟組織內(nèi)，而仿生機器魚的一大設(shè)計亮點就是模仿獅子魚分散的頭部骨骼結(jié)構(gòu) 。
而為了更接近獅子魚的軟組織質(zhì)地，研究組選擇用硅膠打造機器魚的骨架 。 這種透明的凝膠狀材料密度接近于水，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 。
“我們將功能性的電子電路最大程度地分散在軟硅膠中，通過參數(shù)調(diào)節(jié)和結(jié)構(gòu)設(shè)計，調(diào)控實現(xiàn)機器魚內(nèi)部的應(yīng)力水平 。 ”李國瑞解釋，盡可能分散地排布元器件，能夠減少它們彼此間的剪切應(yīng)力 。
如此一來，機器魚即便沒有剛性外殼保護，也能適應(yīng)極高的靜水壓力 。 告別了沉重的金屬殼，機器魚的身姿更輕盈，機動性也有所改善 。 如今人們見到的機器魚成品長22厘米、翼展寬度28厘米，重量僅150克，接近2-3只雞蛋 。
人工肌肉，巧妙驅(qū)動
克服了深海壓力問題，還要讓機器魚在水中動起來 。 為此，除了編寫預(yù)設(shè)程序、將電源控制系統(tǒng)置于機器魚內(nèi)，研究團隊還為機器魚的魚鰭花了一番功夫 。
有別于獅子魚行進時波浪起伏的鰭，機器魚的行進狀態(tài)更像魔鬼魚，魚鰭仿佛兩個翅膀上下?lián)鋭?。 這翅膀?qū)崬橐环N電驅(qū)動的人工肌肉，看起來像一層薄透的膜 。 這一高分子柔性材料由浙大化學(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)動能力衰減的問題 。
李鐵風(fēng)介紹，機器人以海水為低壓端電極，機器魚體內(nèi)的電源在人工肌肉內(nèi)外兩側(cè)形成電勢差，薄薄的鰭便會因此舒張、收縮形變 。 靠預(yù)設(shè)好的程序，機器魚就能悠然地展開雙鰭，在深海中行進游動 。
除了在實驗室內(nèi)的上百次深水實驗，團隊先后于2019年、2020年分別在馬里亞納海溝和中國南海進行海試 。 結(jié)果表明，憑借這種人工肌肉，機器魚仍能在0-4攝氏度低溫、110兆帕高壓的環(huán)境下正常工作 。
更低成本，海角遨游
“這項工作會在很大程度上推進深海機器人的研究進步 。 ”論文審稿人如是評價 。 因為創(chuàng)新性的設(shè)計理念、自主研發(fā)的特殊材料，機器魚的成本也變得更低廉 。
告別了傳統(tǒng)設(shè)計思路，機器魚不再需要用昂貴的鈦合金做耐壓殼，單這一項便可省去不少成本 。 李國瑞告訴采訪人員，與傳統(tǒng)的深海機器人相比，新論文中展示的機器魚成本要小得多，單臺成本可控制在萬元以內(nèi) 。
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