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无需防护直面深海高压 软体机器鱼“打卡”马里亚纳海沟

发布时间:2021-03-24来源:科技日报作者:洪恒飞 吴雅兰 柯溢能 江耘0

  要涉足马里亚纳海沟,人造机器须配备耐压的“盔甲”,用以抵抗强大水压,深海生物却仅凭自身的奇特构造,能在深海行动自如。

  3月22日记者从浙江大学获悉,《自然》以封面文章形式刊发了该校航空航天学院交叉力学中心李铁风教授团队与之江实验室合作的最新成果。联合团队率先提出机电系统软硬共融的压力适应原理,成功研制出无需耐压外壳的仿生软体智能机器人,并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。

  “这种环境自适应的仿生软体机器人系统,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。”论文第一作者、之江实验室智能机器人研究中心高级研究专员李国瑞说。

  模拟深海狮子鱼 适应110兆帕静水压

  此次研究,科研团队通过对电子器件和软基体的结构、材料进行力学设计,可以优化在高压环境下机器人体内的应力状态,从而使机器人整个系统无需外壳保护即可适应高静水压力。

  在10900米的海底,静水压高约110兆帕,相当于1100个大气压。用一个通俗的比方,相当于一吨重的小汽车全压在指尖上。生物学研究发现,在马里亚纳海沟6000米到10000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。狮子鱼的骨骼细碎状地分布在凝胶状柔软的身体中,能承受近百兆帕的压力。

  “狮子鱼的奇特构造带给我们很大启发,2015年我们就有了研究设想。”李铁风介绍,2018年5月,李铁风教授团队和之江实验室智能机器人研究中心正式启动了以狮子鱼为原型的仿生深海软体机器人研究。

  李铁风介绍道,这一机器鱼的控制电路、电池等硬质器件被融入集成在凝胶状的软体机身中,通过设计调节器件和软体的材料与结构,实现了机器鱼无需耐压外壳,就可以承受万米级别的深海静水压力。

  扑翼45分钟 智能化驱动人工肌肉

  2019年12月,联合团队研制的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,在单节锂电池的驱动下,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。

  潜入深海,仿生机器鱼实现智能化驱动,关键在于机器鱼自身携带的小型化能源控制系统及两翼中间椭圆形部位的介电弹性体人工肌肉。李铁风指着机器鱼“鱼翅根部”的两块黑色材料说,这是软体人工肌肉,可驱动一对翅膀状的柔性胸鳍,通过节律性扑翅让机器鱼实现游动。“机器鱼要在深海中驱动,还需克服高分子材料在高压和低温时电驱动能力衰减的问题。”

  据了解,浙江大学化学工程与生物工程学院罗英武教授课题组参与研制的能适应深海低温、高压等极端环境的电驱动人工肌肉,在高压低温环境下依然能保持良好电驱动性能,即便在马里亚纳海沟的低温、高压环境下依旧能正常工作。

  团队巧妙地利用了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,驱动机器鱼前进。

  数次挑战深渊 机器鱼应用前景广阔

  记者了解到,在研制过程中,联合团队通过大量的压力环境模拟实验来验证材料和结构的可行性,已经在实验环境下证明了机器人在深海、极地、高冲击性等恶劣及特种环境下,具有较好的发展应用前景。

  “挑战‘打卡’马里亚纳海沟,我们为机器鱼设计的探测深度就是水下11000米。”李铁风表示,团队还在南海海域进行了3224米的机器鱼深海游动试验,以实地的海洋试验来持续验证整个系统和技术的高可靠性。

  2020年,团队进行了多次海试,为的是让技术从实验室更快地走向实用,对其能源、驱动、感知一体化系统进一步优化,该技术或可尝试运用到深潜器上,实现深海通讯、深海检测等功能。

  “这种‘刚柔融合’的设计思路,还可以根据不同场景需求,沿用到其他类型的软体机器人研发上。”李铁风表示,这项研究为深海探测作业、环境观察和深海生物科考提供了新的解决方案,有望大幅提升深海智能装备和机器人的应用能力,让柔性智能设备从常规环境走向深海作业等多样任务与复杂场景。


《科技日报》2021年3月24日05版