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浙大李铁风团队《Nature》封面:水下10900米运动自如,仿生软体机器鱼成功挑战马里亚纳海沟!

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  长期以来,科学家们一直希望开发出通体由软物质材料制成的软体机器人。与传统的刚性机器人相比,软体机器人不仅能够在现有条件下更安全的工作,防止造成不必要的伤害,而且他们的柔韧性能够带来更多功能,例如操纵对象时的灵巧性,挤入狭窄空间或在不平坦表面上行走的能力。

  2017年,当时年仅30岁的浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室、工程力学系李铁风教授团队从蝠鲼(又称“魔鬼鱼”)中获得灵感,设计了一款全球游动速度最快的软体机器鱼(Sci. Adv. 2017;3: e1602045)。这种鱼长9.3厘米,重90克,几乎是完全透明的,最高运动速度可以达到每秒 6.4 厘米。

  

  图1. 李铁风团队2017年设计的可快速移动的软体机器鱼。来源Sci. Adv.

  时隔四年,李铁风团队再次在软体机器人领域取得重大进展!受超深渊带中生活的狮子鱼启发,李铁风团队设计了一款能够进行深海勘探的自供能仿生软体机器鱼。令人惊叹的是,该机器鱼不仅能够在马里亚纳海沟10900米深处成功驱动,还可以在南海3224米深处自由游泳

  

  图2. 李铁风团队设计的自供能仿生软体机器鱼。来源:Nature

  研究成果以“Self-powered soft robot in the Mariana Trench”为题,于2021年3月4日凌晨以封面文章的形式刊登在世界顶级学术期刊《Nature》上。文章的通讯作者为李铁风教授,第一单位为浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室,合作单位包括中国科学院深海科学与工程研究所、国防科技大学、上海海洋大学和大连海事大学。

  

  设计灵感来源于海洋超深渊带的狮子鱼

  海洋占地球表面的70%以上,但是由于深海环境压强极高,人类对海洋的探索仍局限在较浅的海洋深度。设计精良的机器人可以在出色的完成水下勘探的任务,但是为了应对深海压力,传统的刚性机器人需要刚性外壳和压力补偿系统(图3a)。因此,深海勘探仍然是一项很艰巨的挑战。

  然而,生活在中等海洋深度(约1000米)的软体生物,如章鱼和水母,它们没有庞大或厚重的耐压身体,却依然能够在海洋深处游刃有余。这些软体生物在深海中的适应性启发了水下软机器人的设计,为深海探测提供了途径。最近的研究表明,具有拍打、波动和喷射等推进模式的软体机器人(图3b)表现出了优异的游泳性能。然而,尽管这些软体机器人的驱动器很软,结构也很灵活,但它们的动力和控制电子设备仍然需要笨重而坚硬的刚性外壳来保护它们免受极端压力。据悉,目前还没有开发出一种能够在极端深度的海洋中游泳且没有刚性外壳的软体机器人。

  狮子鱼(图3c)生活在海洋超深渊带(海平面6000米以下),身长6英寸(约合15厘米)。生活在如此深的海洋深处,意味着狮子鱼能够承受住相当于1600头大象站在Mini Cooper车顶上产生的压力,抗压能力不可谓不惊人。狮子鱼的身体特征包括分散的头骨(即头骨是部分开放的)和摆动的胸鳍,这些特征启发并指导了李铁风团队对深海软体机器人的动力、控制和DE(介电弹性体)执行器的机械设计(图3d)。

  

  图3. (a)刚性机器人需要压力容器或压力补偿设计来保护深海中的系统;(b)受生物启发的软机器人,既可以用作水下游泳者,也可以用作抓手;(c)在约8,000 m深度处发现的一种狮子鱼示意图;(c)具有集成DE执行器以及机载电源和控制电子设备的深海软机器人。

  

  图|软体机器人在 3224 米深海游动(来源:Nature)

  自供能软体机器鱼的结构设计

  仿生软体机器鱼整体长度为22厘米(身长11.5厘米,尾长10.5厘米),翼展宽28厘米。该机器鱼设计为具有鱼状的身体形状和两个拍打的侧鳍(图4),拥有机载电源、操控以及水下自推进的能力。鳍片由柔软的凝胶状材料制成,通过微小的固体结构与机器鱼身体的“肌肉”相连,可将电能转化为机械能。当机器鱼电池的电流施加到肌肉时,肌肉就会舒张和收缩变形,由此带动两翼拍打而驱动机器鱼。

  

  图4. 自供能软体机器鱼的结构设计

  嵌入软材料中的分布式电子元件取代了电子元件的刚性保护外壳。为了保护机器鱼的电子组件免受高压侵害,研究团队从狮子鱼的头骨结构获得灵感。研究人员将电子设备分开排列,而不是像通常在电子设备中那样将它们包装在一起。然而,由于数量庞大,从单个印制电路板(PCB)上分离所有组件具有很大的技术挑战,为此研究人员增加了相邻电子器件之间的距离。实验室测试和模拟表明,这种布置减小了压力下组件之间界面处的应力。随后,研究人员将这些分散的电子设备嵌入硅胶中,与机器鱼结合在一起。事实证明,这种方法比其他用于保护深海设备中电子器件的方法更实用,也更便宜。

  

  图5. 聚合物封装分布式电子器件的耐压弹性

  软体机器鱼的深海现场测试

  首先,研究人员通过大量的模拟实验中验证了材料和结构的可行性。随后,研究人员通过“Blue Rov”水下无人机将机器鱼带入70米深的湖中进行测试。研究发现,机器鱼在70米深处能够以每秒3.16厘米的速度自由游动

  然后,研究团队使用“海马”号深海遥控潜水器的机械臂将软体机器鱼携带至我国南海约3224米深处进行了测试:机器鱼同样可以自由游泳,速度甚至达到了每秒5.19 厘米

  最后,软体机器鱼还由深海着陆器带至马里亚纳海沟10900米深处。在没有刚性外壳的情况下,软体机器鱼能够在2500毫安的电池驱动下,保持拍打双翼45分钟!同时,研究人员还测试了机器人的拍打运动和压力阻力,并将其连接到传统的水下机器人,并拍摄了测试图像。

  

  图6. 具有机载电源和控制功能的软体机器鱼的深海现场测试。

  同期《Nature》在线发表了新加坡国立大学Cecilia Laschi教授的观点文章,称:李铁风教授团队仿生软体机器鱼为未来下一代富有弹性和可靠性的深海勘探器的设计奠定了基础。从长远来看,软体机器鱼为人们研究海洋生物学的提供了一个有效的途径,因为它们可以安全地在珊瑚礁或水下洞穴中行走,以收集精致的生物标本而不损坏它们。此外,软体机器鱼能够在海床上爬行,将自己锚定在特定的结构上或在特定的区域游动,可以监测海洋、清理、防止海洋污染或保护海洋生物多样性,从而帮助研究人员探索更广阔的海洋深处。

  同时,文章也指出,在使用这种类型的软体机器鱼勘探海洋之前,还有很多工作要做。比如,软体机器鱼比之前报道的水下机器人要慢,并且无法承受巨大的干扰。因为它很容易被水下电流冲走,所以还需要针对实际应用优化其运动能力。

  参考文献:

  1. Li, G., Chen, X., Zhou, F. et al. Self-powered soft robot in the Mariana Trench. Nature 591, 66–71 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-020-03153-z

  2. Cecilia Laschi et al., Nature 591, 35-36 (2021). DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-021-00489-y

  来源:高分子科学前沿

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