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专访|中国机器鱼在10900米海底畅游45分钟,浙大85后教授研发电驱动软体机器鱼,登上Nature封面

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  谁能无压力探索两万里海底还能自在遨游?

  答案是浙大的机器鱼!它成功潜入海底 10900 米,受住了海底高压 —— 这高压对于它就像人的指尖站了一头大象。

  它小到不可思议 —— 身长 22 厘米,展翅 28 厘米!

  

  如今在浅海畅游两万里轻而易举,但在两万里的深海畅游两万里比登天还难。马里亚纳海沟是迄今为止已经探明的整个地球的最深处,最深点超过 1 万 1 千米,

  一万米海底的压力有多大?

  浙江大学航空航天学院交叉力学中心教授李铁风表示:“在 10900 米的海底,静水压高约 110 兆帕,相当于 1100 个大气压。用一个不太恰当的比方,相当于一吨重的小汽车全压在指尖上。”

  为了让人造机器执行水下探测与考察任务的潜水器能够深入海底,以往的设计策略一直是 “硬碰硬”—— 选用高强度的耐压金属外壳(如钛合金)或压力补偿系统作 “金盔铁甲”,来克服深海的极高静水压。

  3 月 4 日,Nature 封面论文中的成果彻底颠覆了传统 ——研究团队将整体研发策略与思路转换为 “以柔克刚”,即从深海生物身上汲取灵感,率先提出机电系统软 - 硬共融的压力适应原理,成功研制了无需耐压外壳的仿生软体智能机器人,首次实现了在万米深海自带能源软体人工肌肉驱控和软体机器人深海自主游动。

  

  图 | 仿生狮子鱼深海软体机器人(来源:Nature)

  这种环境自适应的仿生软体机器人和智能系统,将为深海探索科考、环境监测与资源勘探提供解决方案,为复杂环境与任务下机器人及智能系统设计提供新思路。

  这就是由85后教授李铁风团队联合之江实验室与合作单位开展的跨学科交叉研究,该论文标题为《马里亚纳海沟中的自动软体机器人》(Self-powered soft robot in the Mariana Trench),论文共同第一作者为之江实验室研究人员李国瑞,浙江大学博士研究生陈祥平、周方浩;通讯作者为李铁风。

  

  图 | 相关论文(来源:Nature)

  受深海狮子鱼启发颠覆传统 “硬扛” 策略

  在马里亚纳海沟 6000 米到 11000 米之间的深度区域,仍有数百种物种生存,狮子鱼就是其中的一种。

  项目合作方中科院深海研究所在马里亚纳海沟捕获了深海狮子鱼样本,经过结构分析,他们发现这种鱼之所以能在高压力环境下自由生存与活动的关键,就在于其骨骼呈细碎状分布在凝胶状柔软的身体中。

  李铁风告诉 DeepTech:“我们发现深海狮子鱼身上硬质的骨头是分散在它软凝胶状的身体当中,便猜想正是这一结构特征,帮助它抵御深海静水高压以及实现柔软灵活的海底遨游。因此有了‘机电系统软 - 硬共融的压力适应’原理或者说系统,这是我们第一个比较重要的创新。”

  受此启发,该团队研制出仿生软体智能机器鱼,长 22cm,翼展宽度 28cm,并且巧妙地利用围绕在人工肌肉外的海水作为离子导电负极,由机器鱼自带能源在人工肌肉内外侧厚度方向产生电势差,让高分子薄膜发生舒张与收缩形变,这样一来 “翅膀” 就能上下拍动,推动机器鱼水中前行

  通过设计调节器件和软体的材料与结构,将控制电路、电池等硬质器件融入集成在凝胶状的软体机身中,来优化在高压环境下机器人体内的应力状态,从而使整个系统无需外壳保护即可适应高静水压力。

  对 “机电系统软 - 硬共融的压力适应” 原理,李铁风向 DeepTech 做了更为详细的说明:“所谓‘机电系统软 - 硬共融的压力适应’原理,其实不难理解,我们仿照深海狮子鱼身体结构原理,把电池、电子器件电池这一类又硬又脆的电子元器件分散后,融在软凝胶状的合成材料里边。软凝胶材料和分散的结构设计,可以帮助调整这些小器件上受到的力(在力学上这种力被称为应力),将器件跟软凝胶材料的融合在一起,可以提高机器人对深海静水高压承受力。”

  研制电驱动人工肌肉适应深海低温、高压等极端环境

  然而,对于在深海执行探测等复杂任务的人造机器而言,拥有能够承受住深海极高的静水压的结构仅是研发征途中成功迈出的第一步,还需要克服高分子材料在高压和低温时电驱动能力衰减的问题。

  针对低温时电驱动能力衰减的问题,该团队与浙江大学化学工程与生物工程学院罗英武教授课题组合作研制了能适应深海低温、高压等极端环境的电驱动人工肌肉,这款电驱动人工肌肉也是团队研究工作的另一个重要突破,它在高压低温环境下依然能保持良好电驱动性能,即便是在马里亚纳海沟的低温(0~4℃)、高压环境(110 MPa)下依旧能正常工作。

  李铁风向 DeepTech 讲解了 “人工肌肉” 的驱动原理和优势,他说:“我们用海水来做人工肌肉的电极有一个非常大的好处,因为机器鱼周围都是海水,大家都知道海水具有有弱导电性,这个特点正好跟我们原本对‘人工肌肉’的设计原理。”

  他补充称:“想要实现‘人工肌肉’驱动,需要两端的电极,一个正电极一个负电极。有弱导电性的海水正好可以做‘人工肌肉’的负电极,我们只需要在‘人工肌肉’内安装正电极材料即可。‘人工肌肉’对电子的非常苛刻 —— 电子必须十分柔软,不能影响这个‘肌肉’本身。有了海水做负电极,我们只需在‘人工肌肉’内加一块正电极即可。而且海水的柔软性、贴合性都非常好。这样既保证了‘人工肌肉’能够工作,同时保证了电极器件的柔软性。”

  

  图 | 驱动模拟(来源:Nature)

  2019 年 12 月,仿生软体机器鱼首次成功在马里亚纳海沟坐底,机器鱼随深海着陆器下潜到约 10900 米的海底后,在 2500 毫安锂电池的驱动下,按照预定指令拍动翅膀,扑翼运动长达 45 分钟,成功实现了电驱动软体机器鱼的深海驱动。

  

  图 | 马里亚纳海沟 10900 米深海海试(来源:Nature)

  李铁风表示:“这项发明能够大幅降低海洋探索的成本,同时也可以使常用的海洋探索装备更加智能化。依照‘机电系统软 - 硬共融的压力适应’原理,一些高性能的智能化的芯片、器件,在不需要坚硬外壳的保护下都能下到深海里。换句话说,这一技术提升了深海探测器或者作业装备的智能化水平。”

  未来应用场景及研究方向

  本次成果还能给智能系统设计提供新思路。李铁风举例称:“把机器鱼的研究思路和原理,应用到其他软机器人,甚至医疗康复中的人体器件以及生物医学方面。在康复医疗方面,比如说人体穿戴设备,它的材料和电子器件太硬,在人类活动或受到外界冲击时,设备容易损坏或失灵。这时就可以用贴合性比较好的人工肌肉原材料来作为设备原材料,把硬的器件放在凝胶状的材料中,通过这种融合的办法,让穿戴设备有更好的适应性。”

  此外,他还补充称:“在生物或医学方面的应用,就是把较硬的电子元器件(比如芯片),或者金属、陶瓷的这种材料,哪怕我们把它们做的很小,它们生物亲和性还是比较差的。如果我们把这些器件溶在一个软胶质地的材料中,可极大地提升设备的亲和性,更好地实现器材跟人体的交互作用。这是我们对机器鱼制作原理未来的应用场景设想,这也是我们正在努力研发的方向。”

  回顾这项交叉学科研究,李铁风感慨称:“机器鱼研发就一个非常典型的多学科交叉的代表,除了上面列出来的研发团队,我们团队还有研究鱼类的专家的参与。正是通过这次合作,我更深刻地认识到跨学科的交叉研究的重要性,它就好像科研创新的加速器,不同领域研究员在概念、原理和思想上的碰撞,科研激发学科交叉地前瞻性研究。”

  概括来讲,仿生软体智能机器鱼由深海生物启发,把 “生命之秘” 化作 “机器之力”,研发能自适应复杂环境的智能机器,则既可助力深海探索,又能发展新型机器人与智能装备。这种环境自适应的仿生软体机器人和智能系统,将为深海探索科考、环境监测与资源勘探提供解决方案,为复杂环境与任务下机器人及智能系统设计提供新思路

  -End-

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