探索海洋：我國自供電軟體機器人成功探底馬里亞納海溝

海水覆蓋了地球約71%的表面積，海洋學者認為人類只探索了其中的5%。目前已知的海洋最深處位于西太平洋的馬里亞納海溝，約為10900 米。這里的水壓高達1100個大氣壓，相當于將一輛小汽車的重量全壓在指尖上。對于人類的工程設備而言，深海極高的環(huán)境壓力也是一個嚴酷挑戰(zhàn)，所以深海探索長期以來都是工程技術(shù)領域的難題。

目前，設計精良的水下機器人在深海任務中具有出色的機動性和功能性，勘探深度能達到3000~11000米，比如我國自主研發(fā)的“蛟龍?zhí)枴焙汀皧^斗者號”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中都扮演著關(guān)鍵角色。
受深海生物特性的啟發(fā)，來自浙江大學、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。

圖為鈍口擬獅子魚

| 靈感來源于一種深海魚
為了讓執(zhí)行水下探測與考察任務的人造潛水器能夠深入海底，以往的設計策略一直是“硬碰硬”，即選用高強度的耐壓金屬外殼（如鈦合金）或壓力補償系統(tǒng)作為“盔甲”，以此來保護內(nèi)部機電系統(tǒng)。無論是深海遙控潛水器還是載人潛水器，都普遍采用了這種技術(shù)。
隨著水域越來越深，外殼的厚度和尺寸也需要相應提升，設備體積也會越來越大，因此傳統(tǒng)的深海機器人和載人深潛器都具有厚重的外殼。人類第一艘到達馬里亞納海溝的潛水器“的里雅斯特號”長度就超過15米，載人艙室就重達14噸。然而，近年來的深海生物科考進展為深海裝備研究提供了嶄新的思路。研究表明，在6000米以下的超深淵帶這樣的惡劣環(huán)境中，仍有數(shù)百種物種生存。在這些類群中，尤其以深海獅子魚的分布最深、垂直分布跨度最大。
我國科研團隊設計開發(fā)的這款軟體機器人，靈感就是來自鈍口擬獅子魚。早在2014年，科學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錄--8178米。
形態(tài)學研究表明，深海獅子魚體內(nèi)存在大量的膠狀物質(zhì)，這對于它們平衡內(nèi)外壓力具有重要作用。另外，它們的骨骼進化出了一些適應于深海壓力環(huán)境的特征：頭部骨骼呈細碎狀，分布在軟組織中；絕大多數(shù)骨骼皆為軟骨，有效降低了硬質(zhì)骨骼在高靜水壓下的局部應力集中。
受此深海獅子魚啟發(fā)，科研團隊開展跨學科交叉研究，采用“以柔克剛”的策略，突破性地提出機電系統(tǒng)軟、硬共融的壓力適應原理，研制出了一種全新的深海軟體機器人。該軟體機器人擺脫了厚重的外殼，外表酷似一只深海獅子魚。

軟體機器人與鈍口擬獅子魚對比圖

| 軟體機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)
該軟體機器人的核心設計正是參考了深海獅子魚的兩個特征：第一，摒棄了笨重的抗壓外殼，采用軟質(zhì)有機硅材料作為主要軀干，將控制電路、電池等各種精密的電子元件均勻分散到柔軟的硅樹脂基體中，優(yōu)化了高壓環(huán)境下機器人體內(nèi)的受力情況，這種設計消除了對耐壓外殼的需求，啟發(fā)則是來自鈍口擬獅子魚分布的頭骨。
第二，摒棄了傳統(tǒng)潛水器電機--螺旋槳式的推進方式，無需考慮這些傳統(tǒng)推進器的密封問題。機器人采用了電驅(qū)動的魚鰭狀仿生推進翼，通過節(jié)律性地拍動推進翼讓機器人在海中前進。前一個特征很好地吻合了深海獅子魚適應深海超高壓的骨骼分布特點，后一個特征則借鑒了深海獅子魚等深海生物的魚鰭。
在第二個特征中，魚鰭狀推進翼的運動則是靠一種叫作介電高彈聚合物的“人工肌肉”實現(xiàn)。這種材料能將電能轉(zhuǎn)化為機械能，加上電壓即可產(chǎn)生大變形。研究人員通過結(jié)構(gòu)設計將“人工肌肉”材料制作成魚鰭推進翼，并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，由軟體機器人自帶能源在“人工肌肉”內(nèi)外側(cè)周期性地產(chǎn)生電勢差，讓聚合物發(fā)生舒張與收縮形變。這樣一來，魚鰭推進翼即可節(jié)律性地拍動，實現(xiàn)軟體機器人水中游動。此外，研究人員還針對深海的低溫高壓工況對“人工肌肉”進行了材料改進，解決了其電驅(qū)動能力衰減的問題，即便在馬里亞納海溝的低溫（0~4攝氏度）、高壓環(huán)境（1100個大氣壓）下也能正常工作。
該軟體機器人身長22 厘米（體長11.5厘米，尾長10.5厘米），展翅28厘米，大約為一張A4紙的長寬。配有電力和控制電子設備，包括鋰離子電池、高壓放大器、紅外接收器、放電電阻器和芯片。內(nèi)置的2500毫安鋰離子電池作為能量來源，通過高壓放大器對電源電壓進行放大后，輸出周期性電壓，驅(qū)動人工肌肉變形進行撲翼運動，在充滿電的情況下，機器人的續(xù)航時間可達45分鐘。
2019年12月，軟體機器人在馬里亞納海溝隨深海著陸器下潛坐底10900米，并首次成功實現(xiàn)了深海電驅(qū)動。在2020年7月我國南海的海試試驗中，軟體機器人由無人潛水器攜帶到3224米的深度后，按預設程序成功實現(xiàn)了自由游動。

機器人深海試驗

| 困難與發(fā)展前景
研究人員表示，在海洋中布置這種設計的機器人之前，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用進行優(yōu)化。
從長遠展望來看，人們可以預測海洋生物學研究的發(fā)展方向。深海軟體智能系統(tǒng)具有很好的環(huán)境友好性、生物交互性和低成本優(yōu)勢。通過搭載一系列功能性的深海柔性傳感器和信息采集模塊，未來軟體機器人和軟體機器手可在深海原生態(tài)環(huán)境下，發(fā)揮無損檢測、樣本采集、人-機-物交互等方面的獨特優(yōu)勢，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，它們可以幫助科學家探索海洋深處的大片未知地帶。
（圖片來源于網(wǎng)絡）作者 | 顧俊哲計算機科學與技術(shù)碩士，畢業(yè)后從事網(wǎng)絡信息收集與整理工作，關(guān)注大眾科普知識，探索前沿科技。