这只3D打印机器人软体“手”，能在3千米深海抓海星

大家觉得让机器人学会走路难，还是让它学会拧开一瓶可乐难？相信颠覆很多人直觉的是，让机器人的灵巧手完成开可乐瓶这样的精细动作，比让它走路难太多了。也就是说，操控机器人灵巧手的难度很大。

这一挑战，很大程度上源于灵巧手在制造上的瓶颈：复杂的关节、驱动和传感系统导致其结构笨重、成本高昂且难以控制。在机器人的江湖中，直驱派、绳驱派、液压派等各大门派各显神通，争相去突破这些挑战。

3D打印技术，为机器人之“手”的研发提供了不一样的方式。它不仅能快速制造出轻质、柔韧的复杂结构，更能实现“结构功能一体化”。比如在接下来的文章中，您将看到一种通过3D打印的软体“手”，它的设计采用了手性超材料，这让机器人的“手指”在受压时自动产生扭转、弯曲等自适应动作，将“智能”预埋在材料结构中，实现对“手指”夹持力的控制。正是这样的3D打印机器人软体“手”已经在深海中大显身手。

“3D Science Valley 白皮书 图文解析

深海，作为地球上探索最少的地区之一，其表面看似平静，实则隐藏着巨大的危机。其中，深海压强是深海探索面临的主要挑战之一。深海的水压极大，每下降10米，水压就会增加大约1个大气压。以马里亚纳海沟为例，其一大深度超过11000米，最深处的水压超过110兆帕，相当于每平方厘米面积承受1,2吨压力。

因此，传统用于深海探索的机器人往往体积庞大、笨重，重量常常达到数吨甚至更多，以确保在巨大水压下仍能正常工作。但这样的设计不仅限制了机器人的灵活性和探索范围，也会因为近距离作业时产生的明显湍流对深海生态系统造成破坏。

“悟空号”全海深无人潜水器完成马里亚纳海沟“挑战者”深渊万米挑战

然而，就在前不久，一个重量仅2.7公斤的微型深海机器人却成功地在海马冷泉1385米深处和马里亚纳海沟10600米深处自由游弋，并进行了游泳、滑翔、变形和沿海床爬行等多种不受束缚的运动。其在千米深海的表现甚至可以与在实验室水族馆条件下（大气压）的表现相当，性能之强悍仿佛视深海压强为无物。

那么，该机器人究竟出自何方？又如何用2.7公斤的灵巧身躯扛住吨级压强，甚至将极端环境转化为动力之源？

▍6年磨一剑，开发微型深海可变形机器人

该机器人由北京航空航天大学文力教授团队主导，联合中国科学院深海科学与工程研究所、浙江大学李铁风团队，历时六年研发而成，集成了北航的技术，中科院深海所的深渊探测工程经验和浙江大学李铁风团队2021年研制全球首台万米驱动软体机器人的仿生软体机器人基础研究。

研发过程中，三大机构共同攻克了深海机电系统耦合的难题，并通过整合游泳和底栖运动特征，成功开发了用于深海探索的无系绳、可变形微型深海机器人。该机器人设计巧妙，拥有可折叠的胸鳍用于滑翔，两个对称的尾鳍用于游泳，以及一组用于爬行的腿。机器人可以根据任务需求，在这些运动模式中灵活切换，具备极高的灵活性和适应性。

同时，面对开发深海多模态微型机器人系统的主要挑战，即致动器的小型化和在深海环境中通过紧凑的致动系统实现所需的变形和优越性能，研究团队创新地开发了一种厘米级的深海软体制动器。该致动器重量仅16克，结合了双稳态手性超材料和管密封形状记忆合金（SMA）。通过利用静水压力引起的模量增加，实现了双稳态手性单元更高的快速响应速度，从而提升了致动器的整体性能。

此外，研究团队还基于相同的超材料设计策略开发了一种可穿戴软体夹持器，以便于深海安全操作，包括软体样本收集和重物操作（约3400米深）。这种夹持器被设计为可以轻松“穿戴”在潜水器的现有刚性夹持器上，进一步提升了深海探索的效率和安全性。

深海多模态软机器人的任务概况，展示了其在深海环境中游泳、滑行、爬行和抓握的能力。

为了验证该机器人的性能和实际应用效果，研究团队通过载人潜水器将机器人部署到中国南海海马冷泉1384米深度、龙溪梅山3756米深度和马里亚纳海沟10666米深度这三大深海领域进行实验测试。测试结果显示，机器人表现优异，其有效性和实用性得到充分验证。

这一研究成果的相关论文以“Miniature deep-sea morphable robot with multimodal locomotion”为题发表在国际学术顶刊《Science Robotics》上，并被该杂志官网首页大图介绍。这一研究成果不仅为下一代微型深海致动器和机器人的设计提供了重要参考，也为未来深海生态系统的探索与交互奠定了坚实的基础。

▍为深海而生，机器人设计解析与创新突破

在深海探索领域，机器人的设计不仅需要应对极端的高压和低温环境，还要具备高效的运动能力和多功能操作性能。整体来看，研究团队所研发的具有多模态运动能力的微型深海可变形机器人共由致动器（手性双稳态单元）、变形模块、多功能深海夹持器等多个部分构成。

• 致动器：微型机器人的核心驱动

传统软体致动器（如介电弹性体致动器DEA、压电致动器和磁致动器）在深海中的高静水压力下会因杨氏模量增加而性能下降，研究团队为解决这一问题提出了一种基于双稳态弹性结构的快速响应致动器设计。

该致动器的核心是一个无腔双稳态手性单元，具有左旋和右旋两种稳定状态，通过在这两种状态之间切换，手性单元能够实现扭转快速响应运动。具体来说，手性单元由交叉形状的软体结构前体预压缩而成，表现出±θstable的扭转角。通过扭转载荷，单元可以在两种稳定状态之间弹性切换。在准静态加载下，单元的反作用力矩呈现典型的N形轮廓，并在力矩从正变负的临界点触发快速响应。

深海手性驱动模块

研究团队通过有限元分析（FEA）验证了该设计的有效性。在120 MPa（相当于12,000米深度的静水压力）下，软材料模量增加了15.1%，而致动器的最大快速响应速度提升了8.50%，扭转振幅增加了1.68%。此外，团队采用管密封方法将形状记忆合金（SMA）弹簧封装在硅胶软管中，确保其在深海高压环境中的正常工作。

压力水箱中不同压力下的手性驱动模块性能

• 变形模块：多模态运动性能的实现

为了实现机器人在游泳和爬行模式之间的快速切换，研究团队设计了一个可变形模块。该模块利用手性单元的两个稳定状态（角度差为90°），通过压缩-弯曲耦合实现形态变化。尾鳍和同侧的两条腿共享一个超材料致动模块，而折叠模块则通过收缩SMA弹簧收回滑翔鳍。

推进模块利用双稳态单元的快速切换特性，为机器人的游泳和爬行模式提供周期性划水运动。机器人由一块2600 mA·小时的锂电池供电，并通过板载微控制器单元电路进行控制。实验表明，机器人在实验室水族箱中能够实现最大60.8 mm/s的游泳速度和31 mm/s的爬行速度。

机器人在大气条件下在实验室水箱中的多模态运动

• 多功能深海夹持器：灵活操作与样本采集

基于手性超材料的压缩-扭转效应，研究团队开发了一种3D打印软体夹持器。该夹持器由两个对称的手性单元和一对抓取手指组成，能够通过Z形连接器穿戴在刚性夹持器上。手性单元的压缩-扭转耦合效应使夹持器在抓取过程中表现出稳定的性能，并在抓取后形成一个长的平稳区域，有效保护被抓取物体。

用于精细操作的深海软夹钳

为验证夹持器的抓取能力，团队对多种形状和尺寸的物体进行了拉脱力测试。结果显示，夹持器对球形物体的最大切向夹持力为28.3 N，对圆柱形物体为12.8 N，对六边形物体为51.8 N。此外，夹持器也被部署在“奋斗者”载人潜水器进行了实际应用测试，下潜至3469米的海底后，夹持器在深海环境中成功完成了收集海星、海胆和海黄瓜等生物样本采集、容器开关和着陆器重新定位的任务。

▍全面性能评估，测试机器人极端适应性

为了全面评估微型深海机器人的性能，研究团队在实验室和深海环境中分别进行了多项测试。这些测试不仅验证了机器人在不同环境下的运动能力，还展示了其在极端条件下的稳定性和适应性。

• 实验室性能测试

在实验室环境中，研究团队在一个尺寸为1.0米×4.0米×8.0米的水族箱中对机器人进行了详细测试。并在水族箱上方安装了摄像头，用于记录机器人的运动轨迹。

在游泳模式下，形状记忆合金（SMA）弹簧致动手性单元，使机器人在两个稳定状态之间切换，从而在尾鳍中产生划水运动，推动机器人前进。测试结果显示，机器人能够实现最大60.8毫米/秒的游泳速度。通过控制机器人两侧的超材料致动模块，研究团队还成功实现了机器人的方向控制和复杂运动轨迹生成。

机器人实验室水族箱的多模态运动

在滑翔测试中，展开的胸鳍使机器人能够在水中滑翔较远距离。当胸鳍收回时，机器人滑翔了210毫米；当胸鳍展开且尾鳍未驱动时，滑翔距离增加到880毫米；而当胸鳍展开且尾鳍驱动时，滑翔距离进一步增加到1430毫米。这些结果表明，可折叠胸鳍显著增强了机器人的滑翔能力，不仅节省了能量，还提高了着陆位置的精确性。

在状态切换测试中，机器人在着陆后0.75秒内便从游泳模式切换到爬行模式，这主要依赖于SMA弹簧来调整前部的手性单元。在爬行模式下，机器人利用游泳时的致动器拍打其各向异性脚，产生与尾鳍划水运动同步的向前摩擦力。测试显示，机器人能够实现最大31毫米/秒的爬行速度，并且通过增加驱动频率和脚部尺寸，可以进一步提高速度。

机器人在实验室水族箱中游泳、爬行、变形、滑行

在推进力测试中，研究团队测量了机器人在游泳和爬行时鳍和腿产生的推进力。在相同驱动参数下，手性单元产生的推进力（0.370±0.01 N）比传统轴承销机构（0.120±0.01 N）高出208%。此外，随着软材料模量随深度增加，推进力也相应增强。同时，研究团队也在光滑（丙烯酸板）和粗糙（100目砂纸）表面上测量了爬行力。结果表明，仅腿在粗糙表面上的向前摩擦力为1.06±0.02 N，腿和鳍共同作用下的力为1.38±0.25 N。拍打鳍在粗糙表面上将爬行推进力增强了30.1%。

• 深海实际应用测试

为了全面验证微型深海机器人在真实深海环境中的性能，研究团队也通过载人潜水器将机器人部署到三个不同深度的地点进行测试：海马冷泉（1384米）、龙溪海山（3756米）和马里亚纳海沟（10,666米）。

在海马冷泉测试中，研究团队通过使用“深海勇士”号载人潜水器将机器人部署到1384米深度，就机器人多模态运动能力进行了验证。测试前，团队在母船上对机器人的重量进行了精确调整，确保其密度略大于预定潜水深度的海水密度，以保证机器人能够在深海环境中缓慢下沉并沿海底爬行。

深海机器人的多模态运动

测试结果显示，机器人在20秒内游泳了671毫米，平均速度为33.7毫米/秒，与实验室环境中的表现（33.1毫米/秒）基本一致。此外，机器人还展示了滑翔能力，利用展开的胸鳍在流体升力的作用下滑翔了相当长的距离。在爬行测试中，机器人在25秒内爬行了654毫米，平均速度为21.5毫米/秒，这进一步验证了其在深海环境中的稳定性。

在龙溪海山测试中，研究团队主要验证了机器人在复杂海底地形中的适应能力。机器人在3756米深度的测试中，展示了其在崎岖海底地形中的灵活移动能力。通过调整胸鳍和尾鳍的运动模式，机器人能够在复杂地形中自如切换游泳、滑翔和爬行模式。此外，机器人还执行了简单的任务操作，如海底样本采集和环境监测，进一步验证了其在深海环境中的多功能性和实用性。

在马里亚纳海沟测试中，研究团队则就机器人极限性能进行了全面检验。在10,666米深度的极端高压环境下，机器人展示了其强悍的运动能力。在12秒内，机器人游泳和滑翔了400毫米，尽管在该深度下游泳速度略有下降，但机器人仍然能够完成预定的运动任务。在爬行测试中，机器人在0.45 Hz的驱动频率下，6秒内爬行了32毫米，展示了其在极端高压环境下的稳定表现。测试结束后，机器人被“奋斗者”号的机械臂成功回收，且回收后的机器人完好无损。

通过在海马冷泉、龙溪海山和马里亚纳海沟的深海实际应用测试，研究团队全面验证了微型深海机器人在极端环境下的运动能力和任务执行能力。这些测试不仅展示了机器人在高压、低温环境中的稳定表现，还验证了其在复杂海底地形中的适应性和多功能性。

文章转载自：

参考文章：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adp7821

硅谷101. 《机器人的“最后一公里”：深聊灵巧手的“不可能三角”与六大技术门派》

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