能在萬米海底承受住壓力的機(jī)器人有多“硬核”?事實可能正相反。

日前，《自然》雜志封面介紹了一種以深海獅子魚為靈感的軟體機(jī)器魚——它長寬約合一張A4紙大小，略重于兩枚雞蛋，身形輕柔靈動，卻能承受1100個大氣壓的壓力。“用一個不太恰當(dāng)?shù)谋确?，這相當(dāng)于1噸重的小汽車全壓在一根手指尖上。”論文通訊作者、浙江大學(xué)航空航天學(xué)院教授李鐵風(fēng)告訴《中國科學(xué)報》。

海試結(jié)果表明，軟體機(jī)器魚可在10900米深的海底正常工作、在3224米深的海水中暢游。“我們的目標(biāo)是實現(xiàn)深潛器小型化、柔性化、智能化。”論文第一作者之一、之江實驗室助理研究員李國瑞表示。

以柔克剛 以魚為“師”

壓強大、溫度低、未知因素眾多……為了在深海環(huán)境中保護(hù)元器件或機(jī)電設(shè)備，讓機(jī)器人在超強壓力下正常工作，傳統(tǒng)設(shè)計思路往往考慮“硬扛”，用金屬做耐壓殼進(jìn)行保護(hù)。

不同于以往的研究，李鐵風(fēng)與合作者的思路是“以柔克剛”。他們看到中科院深海科學(xué)與工程研究所從馬里亞納海溝帶回的獅子魚樣本，受這種在8000米深海生存的生物啟發(fā)，開發(fā)出一種無需耐壓殼保護(hù)的深海軟體機(jī)器魚。

李鐵風(fēng)介紹，獅子魚的頭部骨骼分散地嵌在軟組織內(nèi)，而仿生機(jī)器魚一大設(shè)計亮點就是模仿獅子魚分散的頭部骨骼結(jié)構(gòu)。

而為了更接近獅子魚的軟組織質(zhì)地，研究團(tuán)隊選擇用硅膠打造機(jī)器魚的骨架。這種透明的凝膠狀材料密度接近水，質(zhì)地軟、韌性高，能將電池、控制電路等硬質(zhì)器件“溫柔”地包裹住。

“我們將功能性電子電路最大程度地分散在軟硅膠中，通過參數(shù)調(diào)節(jié)和結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)機(jī)器魚內(nèi)部的應(yīng)力水平平衡。”李國瑞解釋說，盡可能分散排布元器件，能夠減少它們彼此間的剪切應(yīng)力。

如此一來，機(jī)器魚即便沒有剛性外殼保護(hù)，也能適應(yīng)極高的靜水壓力。告別了沉重的金屬殼，機(jī)器魚身姿更輕盈，機(jī)動性也有所改善。如今人們見到的機(jī)器魚成品長22厘米、翼展寬度28厘米，重量僅150克，接近2~3枚雞蛋。

人工肌肉 巧妙驅(qū)動

克服了深海壓力問題，還得讓機(jī)器魚在水中動起來。為此，除了編寫預(yù)設(shè)程序、將電源控制系統(tǒng)置于機(jī)器魚內(nèi)，研究團(tuán)隊還為機(jī)器魚的魚鰭花了一番功夫。

有別于獅子魚行進(jìn)時波浪起伏的鰭，機(jī)器魚的行進(jìn)狀態(tài)更像魔鬼魚，魚鰭仿佛兩只翅膀上下扇動。它的“翅膀”實為一種電驅(qū)動的人工肌肉，看起來像一層薄透的膜。這一高分子柔性材料由浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院教授羅英武等人合作研發(fā)，克服了高壓低溫條件下電驅(qū)動能力衰減的問題。

李鐵風(fēng)介紹，機(jī)器魚以海水為低壓端電極，體內(nèi)的電源在人工肌肉內(nèi)外兩側(cè)形成電勢差，薄薄的鰭因此舒張、收縮形變。依靠預(yù)設(shè)好的程序，機(jī)器魚就能悠然展開雙鰭，在深海中行進(jìn)游動。

除了在實驗室內(nèi)的上百次深水實驗，團(tuán)隊先后于2019年、2020年分別在馬里亞納海溝和中國南海進(jìn)行海試。結(jié)果表明，憑借這種人工肌肉，機(jī)器魚在0~4攝氏度低溫、110兆帕高壓的環(huán)境下仍能正常工作。

更低成本 深海遨游

“這項工作會在很大程度上推進(jìn)深海機(jī)器人的研究進(jìn)步。”論文審稿人如是評價。因為創(chuàng)新性的設(shè)計理念、自主研發(fā)的特殊材料，機(jī)器魚的成本也變得更低廉。

告別了傳統(tǒng)設(shè)計思路，機(jī)器魚不再需要用昂貴的鈦合金做耐壓殼，僅這一項便可省去不少成本。李國瑞告訴《中國科學(xué)報》，與傳統(tǒng)深海機(jī)器人相比，新論文展示的機(jī)器魚成本小得多，單臺成本可控制在萬元以內(nèi)。

“這項研究能為深海探測作業(yè)、環(huán)境觀察和深海生物科考提供新的解決方案。”李鐵風(fēng)表示，未來，研究團(tuán)隊還將繼續(xù)致力于提升深海裝備和機(jī)器人的應(yīng)用能力，讓柔性智能設(shè)備適用于深海作業(yè)等更復(fù)雜的場景。(見習(xí)記者 任芳言)