北京
中国教育报-中国教育新闻网讯（通讯员 冯浩 记者 梁丹）在地球最深处——马里亚纳海沟的万米深渊，压强相当于一个指甲盖上站了一头一吨重的犀牛，温度接近冰点。此前，能到达这里的深海机器人，多为重量达数吨的刚性体大型潜航器，对于身长1米以内的小型机器人而言，这里的极端环境会使它们“肌肉僵化”、举步维艰，曾一度是“禁区”。
多模态机器人能够在深海环境下游动、滑翔和爬行。学校供图
如今，一台身长不到50厘米、体重仅1500克的“小精灵”翩然而至，在深海高静水压下安然无事。它时而摆动尾鳍如游鱼穿梭，时而展开背鳍如海燕滑翔，甚至能将尾鳍变化成腿，在海底“漫步”。
这一能在万米深海实现多模态运动的小型深海可变形机器人，由北京航空航天大学（以下简称“北航”）机械工程及自动化学院研究团队联合中科院深海所、浙江大学，历经6年共同研发而来，研究成果于3月20日发表在国际学术顶刊《科学·机器人》（Science Robotics），同时被Science Robotics官网首页大图介绍。
据了解，研究团队从蝙蝠鱼的运动模式中汲取灵感，设计出了这一能够游动、滑翔、爬行的多模态机器人：在游动模式下，机器人通过尾鳍的摆动产生推力，如鱼得水般穿梭，最高速度可达5.5cm/s；在滑翔模式下，展开的背鳍利用水的升力实现长距离滑行，宛如深海中的海燕，轻盈而优雅；在爬行模式下，机器人利用各向异性足部设计，能够实现3cm/s的沙地行走，稳健而灵活。这种多模态运动能力，使机器人能够在复杂的深海环境中灵活应对，成为深海探索的多面手。
“10000米深海压强对于小机器人来说，相当于压了一座小型冰山。”提起研发过程中面临的压强难题，北航研究团队负责人文力教授打了个生动的比喻。在深海的高压下，柔性驱动器材料的模量增加，类似肌肉的“僵化”，会导致驱动幅值与速度的衰减，削弱机器人的运行性能。
为了克服这一挑战，研究团队设计出了全新的深海驱动装置：利用双稳态手性超材料结构在两个稳态之间切换时的快速突跳（snap-through），实现高效驱动。这种快速突跳的速度和幅度会随着结构材料模量的增加而增加，巧妙地将深海高压对软材料的负面影响扭转为正面影响，“化腐朽为神奇”，成为提升机器人驱动性能的助力，克服了以往柔性材料驱动器在深海环境下性能衰减的困难，使得机器人在深海中能够实现更高的驱动速度和幅度，如同深海中的“风火轮”，在压力中释放出惊人的动力。
深海多模态机器人概念图。学校供图
针对2-4℃低温这一深海环境带来的另一难题，研究团队巧妙利用在低温环境下可实现高频循环主动变形的形状记忆合金进行拮抗驱动。利用形状记忆合金的形状记忆效应，通过周期性电流加热使一对形状记忆合金弹簧主动交替收缩，驱动手性超材料单元的双稳态突跳切换，从而实现驱动器的快速循环摆动。进一步，通过有限元仿真、实验室环境测试及高压罐实验等方法，系统优化了驱动器关键结构参数，最终实现了静水压力对驱动性能的正向强化，显著提升了驱动器的摆动速度与幅值。最后，通过硅油填充的硅胶管、柔性油囊等封装技术，实现了形状记忆合金驱动器、电路板和能源系统的压力自补偿封装。
为了验证机器人性能，研究团队在多个深海地点进行了实地测试。在几年的测试时间中，机器人搭载“深海勇士号”和“奋斗者”号载人深潜器完成了包含海马冷泉（1384m）、龙西海山（3756m）和马里亚纳海沟（10666m）在内的多地形、全海深的共计14次部署测试。
目前，团队正朝着深海柔性机器人+AI的研究方向努力，为深海智能作业提供更广阔的空间。未来，研究团队将致力于聚焦提升深海小型机器人的续航能力和运动效率，实现更大范围的深海探测和监测，为海洋资源开发、考古发掘、环境监测等领域提供更多的北航方案、中国方案。
作者：冯浩 梁丹
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