软物质，硬冒险：海底“大白”打卡最深海沟 | 报告回顾

内容来自墨子沙龙活动“穿越未知世界，仿生机器人打卡星辰大海”（2024年4月10日）上的演讲。演讲嘉宾是浙江大学航空航天学院教授李铁风教授。

科大附中的老师、同学们，线上的朋友们，大家下午好！很高兴有这次机会，讲一讲我作为浙江大学航空航天学院研究“力学”的人，到深海里去养鱼的故事，带大家走进一个由软物质构造的机器人的“星辰大海”的故事。

仿生机器鱼的设计原理

作为从事力学研究的人，能够在“墨子沙龙”讲关于“力”，我是带着致敬之心的，因为墨子有一句描述“力”的极其精髓且非常深刻的话：“力，形之所以奋也”。这个“形”不是形状的形，而是刑法的“刑”，是通假字。在几千年前墨子认为：力是改变物质形态或运动的关键要素。

生活中经常提到的固体和流体，到底有什么区别呢？其实力学研究者们并不会说水比铁更软，而是描述为：流体和固体直接的差异是对剪切作用的对抗不同，流体不像固体那样能在一个较长的时间内去承受剪切力或剪切作用。

也有一些材料介于流体和固体之间，比如“非牛顿流体”。其实它的成分非常简单，用玉米淀粉和水混在一起即可。下图中的人并没有学凌波微步或者轻功，但他如果快速地从物质上奔跑过去，他就像踩在一块橡胶垫上，并不会沉下去。而当这个人速度不快，就会像在一滩软泥或在流体里沉下去。这种物质就是通俗上说的“软物质”。它的微观结构可能会极大地改变我们对流体、固体的行为和性质的通常认识。

“软”是相对的概念，来自于人的感官常识，参考尺度是人类直观的触觉概念。我们经常说小孩的皮肤好得Q弹柔软，豆腐很软，都是相对的概念，描述的是材料的模量。而机器人是由电动机、马达、传动齿轮、传动结构等组成，似乎跟婴儿皮肤、豆腐、果冻完全不相关。

我养鱼的故事或者我研究力学的故事，就是把这些看上去软的东西跟机器人联系起来，并且拓展很多应用领域。

有了美好的愿望，随之展开想象。给大家推荐一部美国迪士尼动画片，“大白”这个机器人形象，是充气的、白白胖胖很可爱的机器人，能够让人很直观地感知到软机器人的样子。动画片核心突出的是这种软机器人跟人类的交互行为很好。

再讲一个来自中国古籍的关于机器人的精彩故事，也是目前世界上最早见于文献报道，详细记录机器人功能、结构、材料的一篇文献。公元前几百年，一位叫偃师的匠人非常厉害，做了一个人偶，即人形机器人，献给周穆王。机器人能歌、善舞、会道，形状高度类人，且功能多样。它竟然跟周穆王的妃子眉来眼去地聊天。这是文献记载的最早关于机器人和人类心理上产生交流的社会行为，而不是直接肢体冲突。而后周穆王大怒用剑砍碎了机器人，发现这个机器人是由革、木、胶、漆、白、丹等各种材料做成。可见，制作高度类人的功能多样的机器人，既要用硬材料，也要有软材料。很难想象一篇几千年前的文章，酝酿了人类的想象和夙愿。

两个故事都是关于机器人的美好愿望和想象，但软材料背后确实有硬科学。介绍两位诺贝尔奖得主的科学家。一位是来自法国的1991年诺奖得主德热纳，他提出：小的扰动会带来巨大响应和物质性质变化的东西，都是广义上的“软物质”。他例举了几千年前印第安人做橡胶鞋套、橡胶雨鞋的故事。当时并没有橡胶工业和模具，他们把橡胶倒在自己脚上，让天然橡胶发生物质改变，使液体橡胶变成了固体。

第二位是非常有名的科学家费曼，他做橡皮筋实验，拿一根橡皮筋贴在自己的上嘴唇附近，因为人的上嘴唇对温度非常敏感，当拉开这根橡皮筋的时候，会感觉橡皮筋变热了，当橡皮筋缩回去的时候，又感觉橡皮筋变冷了。如果你亲身尝试，就能感受到软物质背后有很多深刻的物理行为。

这两个例子告诉大家，软物质背后有很多关于物质科学的微观世界的深刻认知，且依然还有很多未知。

上面的照片里，右边是麻省理工早年做的仿人脸机器人。对比来看显然右边的看着舒服得多，左边就像木偶戏。人脸之所以能够让人感觉好看，甚至动感情，因为脸上有丰富的肌肉。生物或者人都有大量的软组织和肌肉。

我们之所以通过水里的生物去研究软物质，是因为生命演化是从水里开始，逐渐从海洋走上陆地的。生命诞生早期，陆生生命因为要克服重力，往往结构趋同性比较高，生物体的密度远大于空气密度。如果肢体或者肌肉力量不够，生物很难走到陆地上。而水里有浮力，不需要花太多的力量去克服重力的影响。所以水里的很多生物，尤其深海生物，长得像外星人，外形非常飘逸，恣意生长，它们有各种“绝活”形态。

1927年在布鲁塞尔召开的索尔维会议，皮卡德是会议主席，他来自于瑞士的探险家族，是那个年代上天下海的人。20世纪初，他做了两件事情：一是做探空气球和壳子，用氦气球或氢气球升到高空，用壳子维持1个大气压；二是做探海的耐压保护壳。皮卡德1960年已经去世了，他的儿子小皮卡德在1960年首次成功研制“蒂利亚斯特”号潜水艇，潜入世界上最深的马里亚纳海沟。2020年中国的“奋斗者”号万米载人深潜器，也成功完成了马里亚纳海沟的探测。

上图中左上是1960年的“蒂利亚斯特”号，人坐在下面白色球里，上面红色的部分装满了汽油，汽油不是发动机燃料，是用来提供浮力的。因为汽油密度比水小，且能够在深海高压下保持低密度状态。可见当时人类掌握的提供浮力的材料技术很有限。60年后各种技术日新月异，“奋斗者”号有耐高压的浮力块，但还有一个耐压球壳，这个球藏在绿色外壳的浮力材料里。

然而，2014年美国一个无人潜航器在新西兰克马德克海沟9000多米发生了内爆，壳突然被压塌。2023年美国某商业公司做深海冒险去看“泰坦尼克”号残骸，一艘载着5人的潜水艇发生了内爆的悲剧。著名电影导演卡梅隆，去马里亚纳海沟时，有些设备也因为压力失效了。这些都说明用壳来抵抗压力，有时会出风险和问题。

由此，我们在思考去深海探索必须要用耐压外壳保护吗？是否有别的办法？

下图是国外研究者和生物学家们拍摄的生活在马里亚纳海沟的“原住民”狮子鱼，它们活得很舒服，身上并没有坚硬的壳、盔甲，它们对付压力的策略似乎有所不同，其中大有学问。

▲ 国际合作研究团队在深海拍摄的狮子鱼影像

▲ 中国科考团队在马里亚纳海沟捕捉到的狮子鱼样本

2017年，我们在马里亚纳海沟约8000米处抓到了狮子鱼，它在水里的状态是软软的，通体凝胶状，捞上来后开始融化。特征是“粉身碎骨”——粉红色的身体，整体是由一块果冻状的组织融在一起，皮肤和肌肉没有明显分割，果冻里有骨骼和器官。头骨是分散的，像针刺状不完整的头骨，说明它的颅腔是半开放的。狮子鱼的生理特征使它能够耐受高强的静水压力，通过研究它的宏观结构，我们发现：在同样深度，水压在四面八方是均匀一致的，即在静水压下，均质材料不会有剪切现象。

研究狮子鱼的目的是想让机器人不需要耐压壳保护而活下来。机器人有能源电池，有运算系统，有智能系统，有电路板。电池和电路板在力学结构或物质基础上的本质就是由金属、陶瓷、塑料等不同材料叠加组成的复合系统。虽然静水压力是均匀的，但陶瓷、金属、塑料在同样水压下，压缩比率不同，会有错动，有剪切现象，会导致电路板断路。所以我们从狮子鱼身上学的核心招数，就是平衡不同材料的剪切变形。这就是把狮子鱼的生理特征抽象出来，形成了做人造体的核心设计思想。

有了这个设计思想之后，脑洞突然大开。我们经常说：一条小鱼在马里亚纳海沟下扇了几下翅膀，可能就改变了无人潜水器在深海里对抗压力的技术思维。

仿生机器鱼的工作机制

我在浙大是一个养鱼的渔夫，下图是我们很早之前养的“鱼”。大家肯定都知道水母，水母的含水量高达95%，有一类水母游泳速度接近20公里每小时，很难想象一团水在水里游的居然不算慢。受到水母启发，我们做了一个含水量非常高的能在水里游的机器鱼。

大家看到绿莹莹的形状是果冻一样的物质，含水量非常高。边上的翅膀是一层高分子薄膜做成的人工肌肉，本质上是可变形的电容器，当激励7kV电压时，它会发生变形。用会变形的电容器，放在绿莹莹的果冻的上下侧，让它交替地伸缩，就会发生弯折变化，两个翅膀的“差动”就像翅膀上下扑动，从而实现机器鱼的左右运动。左边的频率稍微高一点，输出的推力大一点，就可以转弯。很像人走路，左右迈的步幅和步频不同。这是最稳定和最简单的游动，且易于控制。

它也可以上下游动，更像飞机，不太像鱼。普通鱼是用鱼鳔来调浮力，深海鱼没有鱼鳔，在高压状态下调浮力很困难，增加体积要消耗巨大的能量。所以深海鱼更像飞机，通过调俯仰，实现在水中“飞行”，靠升力往上升，靠调姿态往下降，我们的“鱼”也是这样。

为什么让机器鱼通过翅膀摆动前进，而不是通过尾或鳍摆动前进呢？原因一是稳定，二是好控制。很多底栖的鱼类，有流体力学特性，都采取拍翅膀的模式贴地飞行，能够方便贴近海底，平稳长距离低耗能地游动。狮子鱼也是这种行为，贴着海底游，不太摇尾巴，两个胸鳍滑动，所以我们选择做翅膀摆动的机器鱼。

我们花了大量的时间去设计材料和结构，目前已实现含水量70%的无电动机“小鱼”。难以想象它竟然能到环境特别恶劣的深海中去游动。它在马里亚纳海沟10,900米，扇动翅膀，来回扑动，它所有的电池、电路板、控制系统，还有人工肌肉全都暴露在深海的高压下，却非常稳定地完成了驱动。为了详细记录它驱动或扑动的程度，我们把它定在支架上，这是人类首次在不依赖耐压外壳的情况下，让全机器人系统在深海游动。

这给我们的重要启示是：深海探测不是必须用耐高压钛合金外壳，很多普通原器件都可以用。我们用网上采购的经过技术改造的航模级别原器件在1万米的深海做实验，探测深海似乎没那么难了。所以我们团队取名Deep X，就像马斯克的Space X可以大幅降低成本，发射商业火箭。

当时我们做了最简单的测试，船开到马里亚纳海沟洋面上，把机器鱼扔到海里，让它随着重力下潜到最深的地方。它用了三个多小时，着陆在马里亚纳海沟底部，再去做驱动实验。我们认为这种新的探测方式，可以帮助人类去深海做更多的探索。

机器鱼怎么回收呢？现在有很多模式，如果是“小鱼”型的，会有“着陆器”，类似于“嫦娥”号的着陆器、月球车等等。其实在深海里，很像航天的模式，会有稍微大一点的着陆器，从着陆器里放出小鱼，小鱼也会寻着标记找回来。就像孩子们回到“校车”里，“校车”带着孩子回家。

机器鱼使用的能源，其实就是电池，而且是大家生活中常见的锂电池，只不过这种锂电池比较特殊。选锂电池就是我们 Deep X团队的思路，我们希望能够把地面上一些公认的成本可控可靠的东西，经过特殊改造，去深海工作。但电池电量是有限的，所以需要思考怎么能够在海底俘获能量和能源。深海里有微弱的流，虽然收集能量需要较长的时间，但希望能有办法，就像我们的风力发电机。目前在海洋的很多大工程中，已经开始利用潮汐发电。另外，海底有热的地质火山口，温度高达几百度，相比海水里0~2度，巨大的温差，也可以用来发电。

很多人有疑问，为什么在马里亚纳海沟不开展大规模巡游实验？原因是为了保护世界环境。虽然有很多可靠性高的控制技术，但如果“小鱼”丢失了，当时的我们还无法找回。我们不愿意把像塑料一样的人造高分子材料遗留在马里亚纳海沟，因为马里亚纳海沟是全人类的。中国科研团队在做科研，了解海洋、认知海洋的同时，也要保护海洋。后来《新闻联播》播放的巡游实验是在中国南海4000米左右，如果这个“小鱼”沉没在或者丢失、失控在海底，我们有机器人可以将它找回。

仿生机器鱼的未来发展方向

国外研究团队在做海洋保护的时候，曾在水下十几米给一条蝠鲼鳐鱼做B超。我们突然意识到，是否可以让B超机到深海，给马里亚纳海沟的鱼做体检？因为深海鱼真正的生理特征还是人类未知的。这些深海鱼很喜欢上镜，很配合，且好奇心重，不需要诱饵，亮了一盏灯就被吸引来了。我们想在不打扰它们的情况下，无伤害地去了解重要的生理信息。比如深海鱼的心跳频次是多少？血压是多少？目前，我们正在做一台非常特殊的超声成像设备，可以用来看鱼的心跳和血压。希望在未来一两年，能够用超声设备检测深海鱼，回答人类完全未知的答案。

未来，也希望机器鱼可以去大型载人潜水艇或者大型工程装置不容易去的地方。当时《新闻联播》播放的是一条鱼的画面，其实鱼的肚子里装了六条小鱼，大的机器鱼叫“海马”号，是海马爸爸。我们现在也在做很多的鱼群，用这些鱼群做一些探测和交互。

我们努力的另一个方向，是想用机器之力助力生命，或是发现人体未知的奥秘。软的机器鱼可以辅助生物行为。深海用的软驱动已经可以穿戴到动物兔子的器官上，而且是最难穿设备的器官——膀胱。因为膀胱极其薄，极其软，所以研究人员用了极软的像水母一样的结构，把膀胱包裹起来，甚至可以用手机控制兔子排液。

人的体内或者器官内，某种程度上也是极端环境，因为它非常软，非常脆弱，想在人体内做监测，往往需要对器官本身不造成破坏和影响。我们已经在用类似技术，把摄像头、处理器、芯片等等器件，做成可爱的极其柔软的小鱼，伴随着器官存在于人体内。这很有医学意义，我们从生物身上学的知识，可以用来回馈生命。

另一个正在进行的非常大胆的研究，是太空探测。“小鱼”能够承受的压力已经远超马里亚纳海沟1000个大气压了，在材料级别上已经达到近1万个大气压，即使受到压力检测设备的制约，我们现在也已经做到5000甚至6000个大气压的耐高压水平。地球上已经没有这么深的海可以去了。我们有一个遥远的梦想：进行更遥远、更极端的探测实验，我们会在2030年前后，去木星甚至太阳系内更远的行星探测。

上图是最近由 NASA韦伯望远镜拍摄的木星红外照片，包括几个小卫星。我们Deep X计划中，有一个遥远的梦想计划即“深岁计划”，因为木星的古称叫“岁星”，就是我们深入木星深部进行探测的计划。

其实在1995年，美国NASA曾经发了一个叫“伽利略”的探测器，去了木星附近，他们把探测器底部圆锥形小探测器扔到了木星里。这个圆锥外壳是防热和进入大气的耐压保护壳。探测器成功地到了木星，进入了大气层，周围是非常恶劣的高温，它用降落伞下降，没降多久，就发生了内爆被压扁了，很可惜它没有走得更深，没有探测到更多信息。

木星是一颗气态行星，它深部是高压气体。以我们现在的设计，至少要克服将近1000K左右的温度和接近1000个大气压的压力。压力已经解决了，但温度让人头疼。温度的确可怕，防住外部的高温还不够，里边的原器件工作也会发热。所以我们现在采取的策略是用一种非常特殊的涂层，可以绝热的同时，在1000K外表环境下还能散热。

除了木星探测，“深岁计划”还有一个目标是“木卫二”行星。它外面有冰壳，它的海非常深，冰下海洋深度大概80公里，马里亚纳海沟是10公里，所以它的深度是马里亚纳海沟的8倍。但因为它是一颗小卫星，重力加速度比较小。水压公式P=ρgh，它的g是地球的1/8，h是马里亚纳海沟的8倍，因此它的压力跟马里亚纳海沟差不多。既然仿生机器鱼在马里亚纳海沟里可以比较欢快地活下来，那么就有可能会给航天探测带来不一样的视野。

前不久有各种新闻讲超导材料，超导在地球上不容易实现。但如果我们换个角度思考，对于做极端环境探测器来说，可能有全新的视野。比如在天王星零下200度的高压环境中，许多材料已经进入超导状态，那何不利用其性质来打造探测器？虽然我们离天王星的探测可能还很遥远，但这种“拥抱极端环境”“利用极端环境”发挥材料性能的设计概念或许可用在涉及木星、金星的探测器上。

现在的目标是把小探测器做成可乐瓶大小，能够耐住非常高的压力，有充足电量。目前已经做到接近400兆帕，可以探测马里亚纳海沟4倍深度。我们要考虑足够的冗余，因为人类对外星探索有很多未知的不确定因素，所以要努力设计到上限。

其实我们还在做一件事，大家都看过中国著名的科幻小说《三体》，有一个很炫酷的三体人的航行器“水滴”，把人类舰队都消灭了。它很厉害的原因是，它的构造思想是所谓的“强相互”作用。人类现在掌握用来做机器人和探测装备的材料技术只是四大基本力之一的电磁力，我们在期待基础物理学突破的同时，还希望把这些有限的已知的知识和技术，用合适的方式组织好，带来不一样的思路，能去挑战深空和深海的“Mission Impossible”。引用“水滴”的想法，就是把现有技术推到极限，拓展认知边界。我们似乎已经看到了希望。

“水滴”探测器是一位“勇士”，就像“伽利略”探测器一样，最终沉下去，进入木星，再也回不来。它要做的事情，就是在下沉的过程中，在仅有的几个小时里，尽可能走得更深，尽可能把探测信息传给探测器，传回中继，发送到地球上。

▲ 图片源于网络“水滴”设想

现在人工智能很成熟，也很火，虽然我们做的是机器人的躯体或者硬件，但人工智能和技术确实能给机器人尤其是探测型机器人赋能。在通讯极其有限的情况下，让机器人变得聪明、更智能，可以覆盖很多任务。此外，有一些很复杂的生物行为，或者局部的特征，很难用理论认知，可以用人工智能的方法，通过训练和认知，让仿生机器人能够通过观察鱼，从而习得鱼的行为。

人工智能机器人已经可以学习和示教。教机器人做复杂的操作或任务，可以编程序码代码指令。但有些特别复杂的任务，可以给机器人看录像，通过大量的训练让机器人学会自己做。最近浙江大学交叉力学中心团队在做四足机器人，让机器人从视频中学习猎豹奔跑的步伐，同时学习多种四足动物如何奔跑，通过大量的学习，形成自主奔跑的思维，跑得很快。所以在探测机器人、仿生机器人上，智能有非常大的发展和利用空间。

在实验视频中，笨笨的机械臂是大家对传统机器人和探测器的认识，仿生的软软的深海机器人是我们最新的技术，但是最美丽的依然是那只可爱的网红小虾。小虾倒着游过来，比我们快，它好像在说“呵呵，你们想来海里，道行还浅着呢”。这说明生命其实还有很多未知，有待开启脑洞。

我们在尝试研究物质之理，去发现和解答生命之秘，生命之秘又启发我们铸造机器之力，制作机器人和探测器。但同时，新型的机器又能够去探索更多的人类未知世界，完成“Mission Impossible”，让我们更好得去发现物质之理和生命之秘。所以我们希望能够一直保持这样的理想状态，不断的探索和求知。

李铁风，浙江大学 航空航天学院教授，兼任共青团浙江省委副书记，国家自然科学基金杰青，中国五四青年奖章获得者。从事软物质与智能系统研究，实现无外壳软体机器人在马里亚纳海沟万米深海探测驱动与南海深海航行实验（Nature封面文章），获新闻联播报道，并入选2021中国科学十大进展。获科学探索奖、全国发明博览会金奖、省理工科技评论科技创新35人（MIT TR35-China）等荣誉。

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