能在萬米海底承受住壓力的機器人得多硬核？事實可能正相反。

3月4日，《自然》雜志封面介紹了一種以深海獅子魚為靈感的軟體機器魚——它長寬約合一張A4紙，略重于兩個雞蛋，身形輕柔靈動，卻能承受1100個大氣壓的壓力。

“用一個不太恰當的比方，這相當于一噸重的小汽車全壓在一根手指尖上”，論文通訊作者、浙江大學航空航天學院教授李鐵風告訴《中國科學報》。

海試結果表明，軟體機器魚可在10900米深的海底正常工作、在3224米深的海水中暢遊。“我們的目标就是實現深潛器的小型化、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。

軟體機器魚身形與獅子魚非常相似。（圖片來源：《自然》）

以柔克剛，不來硬的

深海環境壓強大、溫度低、未知因素衆多，為了保護元器件或機電設備、讓機器人在超強壓力下正常工作，傳統設計思路往往會考慮“硬扛”，用金屬作耐壓殼保護。

不同于以往的研究，李鐵風與合作者的思路是“以柔克剛”，他們看到中科院深海所從馬裡亞納海溝帶回的獅子魚樣本，受這種生存在8000米深海處生物的啟發，開發出一種無需耐壓殼保護的深海軟體機器人。

深海獅子魚的骨骼結構 （圖片來源：李鐵風課題組）

李鐵風介紹，獅子魚的頭部骨骼分散地嵌在軟組織内，而仿生機器魚的一大設計亮點就是模仿獅子魚分散的頭部骨骼結構。

而為了更接近獅子魚的軟組織質地，研究組選擇用矽膠打造機器魚的骨架。這種透明的凝膠狀材料密度接近于水，質地軟、韌性高，能将電池、控制電路等硬質器件溫柔地包裹住。

“我們将功能性的電子電路最大程度地分散在軟矽膠中，通過參數調節和結構設計，調控實現機器魚内部的應力水平。”李國瑞解釋，盡可能分散地排布元器件，能夠減少它們彼此間的剪切應力。

如此一來，機器魚即便沒有剛性外殼保護，也能适應極高的靜水壓力。告别了沉重的金屬殼，機器魚的身姿更輕盈，機動性也有所改善。如今人們見到的機器魚成品長22厘米、翼展寬度28厘米，重量僅150克，接近2-3隻雞蛋。

人工肌肉，巧妙驅動

克服了深海壓力問題，還要讓機器魚在水中動起來。為此，除了編寫預設程序、将電源控制系統置于機器魚内，研究團隊還為機器魚的魚鳍花了一番功夫。

有别于獅子魚行進時波浪起伏的鳍，機器魚的行進狀态更像魔鬼魚，魚鳍仿佛兩個翅膀上下撲動。這翅膀實為一種電驅動的人工肌肉，看起來像一層薄透的膜。這一高分子柔性材料由浙大化學工程與生物工程學院教授羅英武等人合作研發，克服了高壓低溫條件下電驅動能力衰減的問題。

李鐵風介紹，機器人以海水為低壓端電極，機器魚體内的電源在人工肌肉内外兩側形成電勢差，薄薄的鳍便會因此舒張、收縮形變。靠預設好的程序，機器魚就能悠然地展開雙鳍，在深海中行進遊動。

除了在實驗室内的上百次深水實驗，團隊先後于2019年、2020年分别在馬裡亞納海溝和中國南海進行海試。結果表明，憑借這種人工肌肉，機器魚仍能在0-4攝氏度低溫、110兆帕高壓的環境下正常工作。

馬裡亞納海溝10900米深海海試（圖片來源：《自然》）

南海3224米深海海試（圖片來源：《自然》）

更低成本，海角遨遊

“這項工作會在很大程度上推進深海機器人的研究進步。”論文審稿人如是評價。因為創新性的設計理念、自主研發的特殊材料，機器魚的成本也變得更低廉。

告别了傳統設計思路，機器魚不再需要用昂貴的钛合金做耐壓殼，單這一項便可省去不少成本。李國瑞告訴記者，與傳統的深海機器人相比，新論文中展示的機器魚成本要小得多，單台成本可控制在萬元以内。

“這項研究能為深海探測作業、環境觀察和深海生物科考提供新的解決方案”，李鐵風表示，未來，研究團隊還将繼續緻力于提升深海裝備和機器人的應用能力，讓柔性智能設備适用于深海作業等更複雜的場景。（任芳言）

來源： 中國科學報

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