首頁 > 比陸地更遼闊的是海洋，海水覆蓋了地球約 71% 的表面積。不過，海洋學(xué)者認(rèn)為人類只探索了其中的 5% 而已。人們經(jīng)常對較淺的海洋進行勘探，但由于極端的靜水壓力，深海區(qū)域基本仍是一片神秘領(lǐng)域。
目前，設(shè)計精良的水下機器人在深海任務(wù)中具有出色的機動性和功能性，勘探深度能達(dá)到 3000-11000 米，比如我國自主研發(fā)的 “蛟龍?zhí)枴薄皧^斗者號” 等載人潛水器，在深海探礦、海底高精度地形測量、可疑物探測與捕獲、深海環(huán)境與生物考察等任務(wù)中都扮演著關(guān)鍵角色。
但是，這些深海潛水器通常需要特制的壓力容器或壓力補償系統(tǒng)來保護內(nèi)部機電系統(tǒng)，考慮到海底極端條件下結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險，深海勘探仍然具有危險性和挑戰(zhàn)性。然而，大自然是神奇的，沒有耐重壓系統(tǒng)的深海生物卻可以在極深的海域繁衍生息，靈活游走。
受深海生物特性的啟發(fā)，來自浙江大學(xué)、之江實驗室的科研團隊及其合作者開發(fā)了一種能用于深海探測的無線自供能軟體機器人，他們通過在馬里亞納海溝最深 10900 米處和南海最深3224 米處進行實際測試，驗證了這種機器人具有極好的耐壓和游泳性能。
圖｜在 10900 米深的馬里亞納海溝中，軟體機器人的雙鰭拍打動作（來源：Nature）
相關(guān)研究論文以 “Self-powered soft robot in the Mariana Trench”（馬里亞納海溝里的自供能軟體機器人）為題，于 3 月 4 日發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上。
（來源：Nature）
靈感來源于一種深海魚
論文里介紹的這種深海機器人，是一種典型的仿生裝備與系統(tǒng)。目前，生活在中等海洋深度（約 1000 米）的軟體生物，如章魚和水母等已被廣泛研究，它們的適應(yīng)能力啟發(fā)了很多水下軟體機器人的設(shè)計，為深海探險提供了很多有前途的方法。
這類軟體機器人的性能很大程度上取決于軟啟動器，包括介電彈性體（dielectric elastomers，DEs）、水凝膠和射流裝置等，近年來的許多研究表明，具有撲翼、波動、噴射等推進方式的柔性機器人具有良好的游泳性能。
盡管如此，這類機器人的動力和控制電子系統(tǒng)仍然需要笨重而堅硬的容器來抵御深海極端壓力，一種沒有剛性容器、能在極端深海游泳的、有壓力彈性的軟機器人還沒有被開發(fā)出來。
浙江大學(xué)李鐵風(fēng)、李國瑞及其合作者設(shè)計開發(fā)的這款軟體機器人，靈感則是來自鈍口擬獅子魚（Pseudoliparis swirei）。早在 2014 年，科學(xué)家就在馬里亞納海溝中約 7000 米處深度捕獲到了這種魚類，據(jù)了解，鈍口擬獅子魚還創(chuàng)下了一項人類拍到活體魚類的最深紀(jì)錄 ——8178 米。
圖｜鈍口擬獅子魚（來源：Mackenzie E. Gerringer）
馬里亞納海溝深處的壓力有多大？Nature 文章中有一個形象的描述，類似于把一整座埃菲爾鐵塔的重量全都壓在人類大腳趾上。在那種寒冷、黑暗和極壓的環(huán)境下，高壓能壓碎人的骨頭，壓扁鋼鐵潛水設(shè)備，而這些魚卻表現(xiàn)出了奇好的生存性和移動性。
所謂“適者生存”，這種魚在身體特征上包括一個分布的頭骨和能拍打的胸鰭，由軟骨和細(xì)胞膜組成的骨架等，這指導(dǎo)了李鐵風(fēng)、李國瑞團隊及其合作者進行一種創(chuàng)新的深海軟體機器人設(shè)計。
圖｜機器人設(shè)計與深海試驗（來源：Nature）
據(jù)論文描述，研究人員已對這種軟體機器人進行了多方位測試報告。它被安裝在深海著陸器上，在馬里亞納海溝 10900 米深度的現(xiàn)場測試中成功啟動，這個軟機器人內(nèi)部自帶容量為 2500mAh 的鋰離子電池和高壓放大器用來自動供電，團隊使用受保護的攝像機和深海著陸器上的 LED 燈記錄了試驗過程，在這次測試中，機器人沒有從著陸器中釋放出來，在沒有壓力容器的情況下，撲鰭驅(qū)動保持了 45 分鐘。
在中國南海的現(xiàn)場試驗中，軟體機器人由遙控潛水器（ROV）攜帶到 3224 米的深度。在 8kV 交流電壓和 1Hz 的驅(qū)動下，該機器人以 5.19cm 每秒（即每秒 0.45 體長）的速度拍打雙鰭運動，成功實現(xiàn)自由游動。
圖｜軟體機器人在 3224 米深海游動（來源：Nature）
獨特的電子和機械設(shè)計
據(jù)了解，這種機器人設(shè)計成功的關(guān)鍵之一是壓力彈性電子元件。傳統(tǒng)的水下航行器需要金屬材料制成的水密外殼，以承受深海高壓，這些外殼的厚度和尺寸必須增加，以適應(yīng)更大的深度。但在研究團隊此次設(shè)計的機器人中，精密的電子元件被嵌入并分布在柔軟的硅樹脂基體中，這種設(shè)計消除了對耐壓外殼的需求。
研究人員通過測試發(fā)現(xiàn)，如果電子元件密集地封裝在一塊印刷電路板（PCB）上，壓力測試表明在它們的接口處容易發(fā)生故障，因此需要一種方法來保護機器人的電子元件免受高壓影響，啟發(fā)則是來自鈍口擬獅子魚分布的頭骨。
圖｜集中和分散電子設(shè)備的壓力試驗（來源：Nature）
為了提高壓力恢復(fù)力，他們采用了分散式設(shè)計來降低剪切應(yīng)力。在這種設(shè)計中，元件與幾塊較小的 PCB 進行線連接或分離，這里的 “分離” 是指去除電子元件之間的直接剛性接觸。
實驗室試驗和模擬表明，這種布置降低了受壓部件之間接口處的應(yīng)力，然后將分布式電子器件嵌入硅樹脂中，以便并入機器人，該方法比其他保護深海設(shè)備電子設(shè)備的方法更實用，也更便宜。
圖｜聚合物封裝電子器件的耐壓性能（來源：Nature）
對于相同的外加壓力（110MPa），分散電子設(shè)備界面處的平均剪應(yīng)力低于集中電子設(shè)備（約 60MPa），研究人員進行了一系列的壓力室實驗（110MPa），以確認(rèn)這種分散電子具有更高的壓力彈性。此外，由于從 PCB 上拆下所有組件在技術(shù)上是困難的，因為它們的數(shù)量很大，為了減少這些元件之間的應(yīng)力，研究人員在設(shè)計時還增加了相鄰電子元件之間的距離，當(dāng)相鄰部件之間的距離從 0.4 mm 增加到 2.4mm 時，測試分析顯示，最大剪應(yīng)力能減少 17%。
設(shè)計好了電子部分，另一方面就是機械驅(qū)動部分，這里的一個關(guān)鍵應(yīng)用是介電彈性體（DE），一種加上電壓即可出現(xiàn)形變的電激活聚合物，這種材料能將電能轉(zhuǎn)化為機械功 —— 當(dāng)機器人電池的電流作用于肌肉時，肌肉就會收縮，微小的固體結(jié)構(gòu)通過機械方式將收縮肌與鰭相連，使其拍打運動。
最終，他們把機器人設(shè)計成了魚一樣的身體形狀，有兩個拍打的側(cè)鰭。該機器人長 22 厘米（體長 11.5 厘米，尾長 10.5 厘米），翼展有 28 厘米，電力和控制電子設(shè)備包括鋰離子電池、高壓放大器、紅外接收器、放電電阻器和 MCU。
它同時具有以下特點：（1）位于支撐架和拍打鰭接合處的 DE “肌肉”；（2）由較硬的前緣和彈性框架支撐的薄硅膠拍打鰭；（3）嵌入其軟體內(nèi)的分散電子。彈性框架粘在預(yù)拉伸的 DE 肌肉上，以提供支撐，并將 DE 膜的平面內(nèi)驅(qū)動轉(zhuǎn)換為鰭拍打運動，當(dāng)施加交流電壓時，周期性變形的 DE 肌肉產(chǎn)生兩個鰭的拍打運動以推進游動。
圖｜軟機器人的設(shè)計與制造（來源：Nature）
此外，DE 材料也經(jīng)過了精心設(shè)計，可在深海低溫高壓下保持其電壓感應(yīng)驅(qū)動。研究人員在高壓下測量了由典型 DE 材料（VHB）制成的圓形致動器的電壓感應(yīng)區(qū)域應(yīng)變，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)實驗條件從（0MPa，25°C）變?yōu)椋?10 MPa，5°C）時，電壓引起的區(qū)域應(yīng)變從 19.1% 下降到了 2.4%，不足以推動機器人。
因此，他們采用了一種新的三嵌段共聚物：SBAS。在相同的實驗條件下，SBAS 的電壓感應(yīng)面積應(yīng)變從 12.5% 下降到 7.0%，由于拍動雙鰭的設(shè)計已得到優(yōu)化，這種材料的表現(xiàn)對于軟機器人深海自由游泳來說已經(jīng)是足夠高的應(yīng)變。
圖｜VHB 和 SBAS 的驅(qū)動性能實驗（來源：Nature）
研究人員在額外的動態(tài)力學(xué)分析（DMA）中表明，VHB 和 SBA 的不同性能源自其不同的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），分別為 0.3°C 和17.2°C，這一結(jié)果突出了由于微相分離，較低的 Tg 對提高三嵌段共聚物 DE 的機電性能的影響。
開啟深海探險新方式
除了深海實地測試外，研究團隊還進行了一系列的壓力艙和深湖實驗，進一步驗證了該軟體機器人的游泳性能。
他們在實驗室中觀察記錄了該機器人在 110 MPa 的靜水壓力中，在不同電壓（7 kV、8 kV、9 kV，2 Hz）下測試游泳性能。當(dāng)驅(qū)動電壓為 7 kV，頻率為 1Hz 時，在 0MPa 和 110MPa 的壓力下，機器人能以 3.29 cm 每秒和 2.76cm 每秒向前游動。此外，還在一個深湖中用遙控潛水器將其帶到水深處，對軟機器人的自由游動進行了現(xiàn)場測試，該機器人在 8 米深處能以 3.89cm 每秒的速度游泳，在 70 米深處能以 3.16cm 每秒的速度游泳，證實了它對野外探險的魯棒性。
圖｜軟體機器人在測試在 110 MPa 的靜水壓力中測試（來源：Nature）
圖｜軟體機器人在湖中測試（來源：Nature）
研究人員表示，此次取得的實驗成功有可能擴展到各種其他軟設(shè)備上，未來如果集成額外的功能單元或重新排列電路則有望產(chǎn)生多種附加功能，例如深海中的傳感和通信。
具有傳感、驅(qū)動、電源和控制系統(tǒng)的軟設(shè)備可以完全集成，以監(jiān)測和調(diào)節(jié)機械濫用條件下的復(fù)雜任務(wù)（不僅是高壓，還有其他困難的機械條件，如振動或沖擊）。研究團隊的未來工作將集中在開發(fā)新的材料和結(jié)構(gòu)，以增強軟機器人和設(shè)備的智能性、多功能性、機動性和效率。
此前人們曾多次嘗試開發(fā)應(yīng)用于水下的各類軟體機器人，但由于機器人傳感器在深海環(huán)境下工作不良，因此機器人與物體的精細(xì)交互是一個具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。另外，軟機器人抓手要比剛性抓取裝置具有很大的優(yōu)勢，且受生物啟發(fā)的軟體機器魚可以在其他動物之間游動，而無需對它們造成干擾，因此可以進行近距離研究觀察。
新加坡國立大學(xué)教授 Cecilia Laschi 在評論文章中表示，研究團隊如今已經(jīng)突破了可以達(dá)到的極限：用嵌入軟材料中的分布式電子器件取代電子元件的剛性保護外殼，為新一代深海探險家鋪平了道路。
然而，在海洋中布置這種設(shè)計的機器人之前，還有很多工作要做。因為這項研究開發(fā)的機器人比之前報道的水下機器人移動要慢，而且不能承受太多環(huán)境的干擾，比如它很容易被水下暗流沖走，其運動能力也需要針對實際應(yīng)用進行優(yōu)化。
從長遠(yuǎn)展望來看，人們可以預(yù)測海洋生物學(xué)研究的發(fā)展方向，即軟體機器人在珊瑚礁或水下洞穴中安全航行，在不損壞珊瑚礁或洞穴的情況下采集精致的標(biāo)本，成群的水下軟機器人能夠在海床上爬行，將自己固定在特定的結(jié)構(gòu)上或在特定的區(qū)域游走探索。
這將有助于各種其他應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，進一步為推動海洋監(jiān)測、清理和防治海洋污染、保護海洋生物多樣性提供更多創(chuàng)新方案，更重要的是，它們可以幫助科學(xué)家探索海洋深處的大片未知地帶。
