軟體機器魚“打卡”萬米深海 以柔克剛 以魚為“師”

能在萬米海底承受住壓力的機器人有多“硬核”?事實可能正相反。

日前，《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紙大小，略重于兩枚雞蛋，身形輕柔靈動，卻能承受1100個大氣壓的壓力。“用一個不太恰當的比方，這相當于1噸重的小汽車全壓在一根手指尖上。”論文通訊作者、浙江大學航空航天學院教授李鐵風告訴《中國科學報》。

海試結果表明，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。“我們的目標是實現深潛器小型化、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 以魚為“師”

壓強大、溫度低、未知因素眾多……為了在深海環境中保護元器件或機電設備，讓機器人在超強壓力下正常工作，傳統設計思路往往考慮“硬扛”，用金屬做耐壓殼進行保護。

不同于以往的研究，李鐵風與合作者的思路是“以柔克剛”。他們看到中科院深海科學與工程研究所從馬里亞納海溝帶回的獅子魚樣本，受這種在8000米深海生存的生物啟發，開發出一種無需耐壓殼保護的深海軟體機器魚。

李鐵風介紹，獅子魚的頭部骨骼分散地嵌在軟組織內，而仿生機器魚一大設計亮點就是模仿獅子魚分散的頭部骨骼結構。

而為了更接近獅子魚的軟組織質地，研究團隊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水，質地軟、韌性高，能將電池、控制電路等硬質器件“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，通過參數調節和結構設計，實現機器魚內部的應力水平平衡。”李國瑞解釋說，盡可能分散排布元器件，能夠減少它們彼此間的剪切應力。

如此一來，機器魚即便沒有剛性外殼保護，也能適應極高的靜水壓力。告別了沉重的金屬殼，機器魚身姿更輕盈，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枚雞蛋。

人工肌肉 巧妙驅動

克服了深海壓力問題，還得讓機器魚在水中動起來。為此，除了編寫預設程序、將電源控制系統置于機器魚內，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，機器魚的行進狀態更像魔鬼魚，魚鰭仿佛兩只翅膀上下扇動。它的“翅膀”實為一種電驅動的人工肌肉，看起來像一層薄透的膜。這一高分子柔性材料由浙江大學化學工程與生物工程學院教授羅英武等人合作研發，克服了高壓低溫條件下電驅動能力衰減的問題。

李鐵風介紹，機器魚以海水為低壓端電極，體內的電源在人工肌肉內外兩側形成電勢差，薄薄的鰭因此舒張、收縮形變。依靠預設好的程序，機器魚就能悠然展開雙鰭，在深海中行進游動。

除了在實驗室內的上百次深水實驗，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。結果表明，憑借這種人工肌肉，機器魚在0~4攝氏度低溫、110兆帕高壓的環境下仍能正常工作。

更低成本 深海遨游

“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。因為創新性的設計理念、自主研發的特殊材料，機器魚的成本也變得更低廉。

告別了傳統設計思路，機器魚不再需要用昂貴的鈦合金做耐壓殼，僅這一項便可省去不少成本。李國瑞告訴《中國科學報》，與傳統深海機器人相比，新論文展示的機器魚成本小得多，單臺成本可控制在萬元以內。

“這項研究能為深海探測作業、環境觀察和深海生物科考提供新的解決方案。”李鐵風表示，未來，研究團隊還將繼續致力于提升深海裝備和機器人的應用能力，讓柔性智能設備適用于深海作業等更復雜的場景。(見習記者 任芳言)