導讀

北京時間2021年3月4日，國際頂級期刊《自然》封面發表之江實驗室與浙江大學合作的仿生深海軟體機器人最新研究：馬里亞納海溝的自驅動軟體機器人（Self-powered soft robot in the Mariana Trench）。該研究團隊率先實現了軟體機器人的萬米深海操控以及深海自主游動實驗！

▍適應萬米靜水壓的軟體機器人

由于極端的靜水壓力，深海區域人們基本很難探測。位于西太平洋的馬里亞納海溝是已知的海洋最深處，水壓高、溫度低、完全黑暗，被稱為“地球第四極”。隨著深潛技術的不斷發展，人們發現，茫茫深海并非一片死寂，在馬里亞納海溝6000—11000米之間的極高壓深水區，仍有數百種物種生存，獅子魚（snailfish）就是其中的典型代表。

鈍口擬獅子魚

生物學研究發現，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，相當1000個大氣壓強。打個不恰當的比方，這巨大的壓力相當于約一噸重的小汽車全壓在指尖上。“獅子魚的奇特構造帶給我們很大啟發。如果能將深海的‘生命奧秘’化作‘機器之力’，我們就可以研發出自適應深海極端環境的仿生、軟體、小型化智能深海機器人，既可助力深海探索，又能發展新型機器人與智能裝備。”該論文第一作者——之江實驗室智能機器人研究中心的高級研究專員李國瑞談及研發初心仍難抑制興奮之情。

明確了研究方向，2018年5月，之江實驗室智能機器人研究中心與浙江大學交叉力學中心李鐵風教授團隊啟動了以獅子魚為原型的仿生深海軟體機器人研究。基于獅子魚頭部骨骼在軟組織中的分散融合這一特點，項目組對電子器件和軟基體的結構、材料進行力學設計，優化了在高壓環境下機器人體內的應力狀態。項目組研發的這臺仿生深海軟體機器人形似一條魚，長22cm，翼展寬度28cm，大約為一張A4紙的長寬。控制電路、電池等硬質器件被融入集成在凝膠狀的軟體機身中；通過設計調節器件和軟體的材料與結構，實現了機器人無需耐壓外殼，便能承受萬米級別的深海靜水壓力。

仿生獅子魚深海軟體機器人

軟體機器人在測試在 110 MPa 的靜水壓力中測試

相比于傳統的‘鎧甲式’抗高壓深潛裝備，研究團隊以全新技術路線研制仿生深海軟體機器人，爭取大幅降低深海探測的難度和成本。

▍創新“智能人工肌肉驅動”

深海機器人是如何實現推進的呢？機器人依靠的是自身攜帶的小型化能源控制系統及兩翼中間橢圓形部位的介電彈性體人工肌肉（Dielectric elastomer，DE muscle）。當硅膠體中的電子器件產生電信號時，介電彈性體會在該電壓信號的刺激下產生像肌肉一樣的變形模式，“仿生機器魚”的雙翼就會隨著肌肉的伸縮進行撲翼運動，驅動機器人前進。

然而，要實現介電彈性體在深海中的驅動，還需克服在高壓和低溫條件下高分子材料的電驅動性能衰減問題。項目團隊與浙江大學化學工程與生物工程學院羅英武教授團隊合作，研制了一種能適應深海低溫、高壓等極端環境的電驅動人工肌肉，即便是在馬里亞納海溝的低溫（0—4℃）、高壓環境（110 MPa）下依舊能正常工作。“我們的另一個研究突破就在于設計了一種能在高壓低溫環境下依然能保持良好電驅動性能的電驅動智能軟材料。”李鐵風教授說。

總結來說，適應深海靜水壓力的軟-硬融合機器系統，適用于深海高壓低溫環境的新型介電高彈體驅動器，兩項技術突破造就了這臺全新的仿生深海軟體機器人。

機器人設計與深海試驗

▍軟體機器人應用前景廣闊

在研究歷程中，系列的數值計算和大量的壓力環境模擬實驗已經驗證了方案的可行性。為了進一步證實機器人在深海實地環境下的可靠性，在上海海洋大學、中科院深海所、大連海事大學、廣東海洋地質調查局等單位的合力支持下，項目組研發的仿生機器人先后在馬里亞納海溝、中國南海等海域開展深海海試。

2019年12月，仿生深海軟體機器人在馬里亞納海溝坐底，海試影像記錄顯示，在馬里亞納海溝10900米海深處，該機器人實現了穩定撲翼驅動。在2020年8月27日深夜，該軟體機器人在南海3224m海深處成功實現了自主游動。

“我們的機器人在深海、極地、高沖擊性等惡劣及特種環境下，具有良好的發展應用前景。”李國瑞表示。未來，項目組將繼續研究深海軟體智能設備的能源、驅動、感知一體化系統，提升仿生深海軟體機器人的智能性，同時降低應用成本。”

研究人員表示，此次取得的實驗成功有可能擴展到各種其他軟設備上，未來如果集成額外的功能單元或重新排列電路則有望產生多種附加功能，例如深海中的傳感和通信。

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