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成功“打卡”馬里亞納海溝,浙大仿生軟體智能機器魚研究登《自然》封面

發布時間:2021-03-04來源:浙大新聞辦作者:吳雅蘭 柯溢能 盧紹慶2

馬里亞納海溝,地球最深處。要涉足這無人之境,人造機器若沒有耐壓的“盔甲”,都會被強大水壓所破壞。不過,在深海中生活的生物卻因有著奇特構造而在這里安然無恙。若能由深海生物啟發,把“生命之秘”化作“機器之力”,研發能自適應復雜環境的智能機器,則既可助力深海探索,又能發展新型機器人與智能裝備。

Self-powered soft robot in the Mariana Trench. Nature 591, 66–71 (2021).

軟體機器魚在高靜水壓下游動

浙江大學航空航天學院交叉力學中心李鐵風教授團隊聯合之江實驗室,與合作單位開展跨學科交叉研究,率先提出機電系統軟-硬共融的壓力適應原理,成功研制了無需耐壓外殼的仿生軟體智能機器人,首次實現了在萬米深海自帶能源軟體人工肌肉驅控和軟體機器人深海自主游動。這種環境自適應的仿生軟體機器人和智能系統,將為深海探索科考、環境監測與資源勘探提供解決方案,為復雜環境與任務下機器人及智能系統設計提供新思路。

這項研究成果于34日,作為封面文章刊發在國際頂級期刊《自然》。之江實驗室研究人員李國瑞,浙江大學博士研究生陳祥平、周方浩為論文共同第一作者,通訊作者為浙江大學李鐵風教授。該研究獲國家自然科學基金共融機器人重大研究計劃、國家重點研發計劃支持。

李鐵風教授與本文主要作者(李國瑞 ,陳祥平,周方浩,梁藝鳴)討論機器人設計


由深海獅子魚啟發,適應110兆帕靜水壓

生物學研究發現,在馬里亞納海溝6000米到11000米之間的深度區域,仍有數百種物種生存,獅子魚就是其中的一種。

萬米海底的壓力有多大?李鐵風說在10900米的海底,靜水壓高約110兆帕,接近于1100個大氣壓。用一個不太恰當的比方,相當于一噸重的小汽車全壓在指尖上。過去,需要高強度的金屬外殼(如鈦合金)或壓力補償系統來保護,才能克服深海的極高靜水壓。

而李鐵風團隊研制的仿生軟體機器魚,由軟體人工肌肉驅動一對翅膀狀的柔性胸鰭,通過節律性撲翅實現游動??刂齐娐?、電池等硬質器件則被融入集成在凝膠狀的軟體機身中;通過設計調節器件和軟體的材料與結構,實現了機器人無需耐壓外殼,就可以承受萬米級別的深海靜水壓力。

仿生獅子魚深海軟體機器人

記者在現場看到,這款仿生軟體智能機器魚,形似一條深海獅子魚,長22cm,翼展寬度28cm,大約為一張A4紙的長寬??蒲袌F隊如何實現適應超強壓力而保持結構功能完整呢?和傳統的“硬扛”方法不同,團隊采用了“以柔克剛”的策略。項目合作方中科院深海研究所何舜平團隊在馬里亞納海溝捕獲的深海獅子魚樣本,也為機器人的設計提供了仿生啟發。

通過對深海獅子魚的結構分析,團隊發現深海獅子魚的骨骼細碎狀地分布在凝膠狀柔軟的身體中,有助于其在高壓力環境下的生存與活動。

團隊由此啟發對電子器件和軟基體的結構、材料進行力學設計,可以優化在高壓環境下機器人體內的應力狀態,從而使整個系統無需外殼保護即可適應高靜水壓力?!拔覀兊难芯磕繕司褪且匀录夹g路線實現深潛器的小型化、柔性化、智能化,大幅降低深海探測的難度和成本?!崩铊F風說。


突破極限,“軟肌肉-智驅動”

如何讓軟體機器人智能驅動,這是李鐵風團隊長期攻關的重要方向。

記者在現場看到,機器魚通過放大狀的魚鰭,像翅膀那樣扇動向前推進。要在深海中驅動,還需克服高分子材料在高壓和低溫時電驅動能力衰減的問題。團隊與浙江大學化學工程與生物工程學院羅英武教授課題組合作研制了能適應深海低溫、高壓等極端環境的電驅動人工肌肉,在高壓低溫環境下依然能保持良好電驅動性能,即便是在馬里亞納海溝的低溫(0~4℃)、高壓環境(110 MPa)下依舊能正常工作。這款電驅動人工肌肉也是團隊研究工作的另一個重要突破。

驅動模擬

那么“翅膀”的撲動是怎么實現的呢?科研人員巧妙地利用了圍繞在人工肌肉外的海水作為離子導電負極,由機器魚自帶能源在人工肌肉內外側厚度方向產生電勢差,讓高分子薄膜發生舒張與收縮形變,這樣一來“翅膀”就能上下拍動,推動機器魚水中前行。

力學是一門古老而傳統的學科,這個成果體現了交叉力學研究在多學科合作中的融合與橋梁作用,非常感謝不同學科背景和技術特長的成員們通力協作?!睋私?,除了浙大航空航天學院及之江實驗室的科研力量外,浙大的機械學院、能源學院、化工學院、海洋學院和中科院深海研究所等多個研究團隊都參與了該項目研究。


探索無止境,魚翔萬米深淵

在研制過程中,團隊通過大量的壓力環境模擬實驗來驗證材料和結構的可行性,已經在實驗環境下證明了機器人在深海、極地、高沖擊性等惡劣及特種環境下,具有較好的發展應用前景。然而團隊還是想以實地的海洋試驗來驗證整個系統和技術的高可靠性。

201912月,仿生軟體機器魚首次成功在馬里亞納海溝坐底,機器魚隨深海著陸器下潛到約10900米的海底后,在2500毫安時單節鋰電池的驅動下,按照預定指令拍動翅膀,撲翼運動長達45分鐘,成功實現了電驅動軟體機器魚的深海驅動。

馬里亞納海溝10900米深海驅動試驗

科學探索永無止境。2020年團隊克服了新冠疫情和極端惡劣天氣影響,進行了多次海試。在一次深海游動試驗中,團隊為避開超強臺風在南海上漂了多天,參加此次海試的李國瑞和陳祥平說,夜里海況條件突然轉好,他們就在凌晨的時間窗口時分開始了緊張實驗?!傲璩咳c鐘,我們在主控室里,一分一秒地等待機器魚在海底啟動。當看到成功完成預定游動時,懸著的心終于放了下來,數年的艱難探索取得了里程碑式進展?!崩顕鹫f,海試讓技術從實驗室更快地走向實用。

南海3224米深海游動試驗

論文審稿人認為,該工作會很大程度推進深海機器人的研究進展。李鐵風介紹,這項研究為深海探測作業、環境的觀察和深海生物的科考提供了新的解決方案,有望大幅提升深海智能裝備和機器人的應用能力,讓柔性智能設備從常規環境走向深海作業等多樣任務與復雜場景,又邁出了堅實的一步。

論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-03153-z

(文 吳雅蘭 柯溢能/攝影 盧紹慶 部分圖片由課題組提供)

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