人類如何探測(cè)深海？科學(xué)家們近年來(lái)嘗試從深海里的生物尋找答案。

北京時(shí)間3月4日凌晨，頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）以封面文章的形式刊發(fā)了由浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所、國(guó)防科技大學(xué)、上海海洋大學(xué)、大連海事大學(xué)等團(tuán)隊(duì)聯(lián)合完成的一項(xiàng)研究。該研究率先提出機(jī)電系統(tǒng)軟-硬共融的壓力適應(yīng)原理，成功研制了無(wú)需耐壓外殼的仿生軟體智能機(jī)器人，首次實(shí)現(xiàn)了在萬(wàn)米深海自帶能源軟體人工肌肉驅(qū)控和軟體機(jī)器人深海自主游動(dòng)。

之江實(shí)驗(yàn)室研究人員李國(guó)瑞，浙江大學(xué)航空航天學(xué)院博士研究生陳祥平、周方浩為論文共同第一作者，該研究的通訊作者為浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、工程力學(xué)系教授李鐵風(fēng)。

李鐵風(fēng)對(duì)澎湃新聞（www.kxwhcb.com）介紹道，這項(xiàng)最新研究為深海探測(cè)作業(yè)、環(huán)境的觀察和深海生物的科考提供了新的解決方案，有望大幅提升深海智能裝備和機(jī)器人的應(yīng)用能力，讓柔性智能設(shè)備從常規(guī)環(huán)境走向深海作業(yè)等多樣任務(wù)與復(fù)雜場(chǎng)景，又邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

李鐵風(fēng)現(xiàn)年34歲，主要研究方向?yàn)檐浳镔|(zhì)力學(xué)，智能材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟體機(jī)器人、水下智能裝備、醫(yī)療康復(fù)裝置等，提出通過(guò)控制力電失穩(wěn)實(shí)現(xiàn)極大電致變形的驅(qū)動(dòng)理論。在Sciennce Advances、Advanced Materials 等期刊上發(fā)表論文50余篇，論文引用2000余次。獲國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金、中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程、科學(xué)探索獎(jiǎng)（前沿交叉領(lǐng)域）、麻省理工科技評(píng)論科技創(chuàng)新35人（MIT TR35-China）等榮譽(yù)。

值得一提的是，李鐵風(fēng)等人從超深淵的獅子魚中獲得了靈感。在測(cè)試中，這款受獅子魚啟發(fā)而來(lái)的機(jī)器魚能在馬里亞納海溝10900米深處成功驅(qū)動(dòng)，還能在南海3224米處自由游泳。而早在4年前，李鐵風(fēng)等人發(fā)布的另一項(xiàng)研究顯示，他們還曾從蝠鲼（又稱“魔鬼魚”）中獲得靈感，設(shè)計(jì)了當(dāng)時(shí)全球游得最快的軟體機(jī)器魚。

李鐵風(fēng)教授與本文主要作者。

來(lái)自超深淵獅子魚的啟發(fā)

海洋占地球表面的70%以上，但目前人類的探索仍局限在較淺的海洋深度，由于極端的靜水壓力等，深海基本上是未知區(qū)域。萬(wàn)米海底的壓力有多大？李鐵風(fēng)表示，在10900米的海底，靜水壓高約110兆帕，相當(dāng)于1100個(gè)大氣壓。用一個(gè)不太恰當(dāng)?shù)谋确剑喈?dāng)于一噸重的小汽車全壓在指尖上。

研究團(tuán)隊(duì)在論文中寫道，精心設(shè)計(jì)的機(jī)器人在水下任務(wù)中可以提供出色的機(jī)動(dòng)性和功能性，但在介于3000米到11000米之間的深海探索時(shí)，剛性機(jī)器人需要壓力容器或壓力補(bǔ)償系統(tǒng)。然而，在極端條件下存在結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險(xiǎn)，剛性機(jī)器人在深海勘探仍然具有挑戰(zhàn)性。

然而，生活在中等海洋深度(1000米左右)的軟體生物，如章魚和水母，它們沒有龐大或厚重的耐壓身體，卻依然能夠在海洋深處游刃有余。這些軟體生物是軟體機(jī)器人研究的最初靈感來(lái)源，并已被廣泛研究，它們的深海中的適應(yīng)性啟發(fā)了水下軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)。

研究團(tuán)隊(duì)提到，優(yōu)雅的軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)為深海探測(cè)提供了途徑。他們認(rèn)為，最近的研究表明，具有拍打、波動(dòng)和噴射等推進(jìn)模式的軟體機(jī)器人表現(xiàn)出了優(yōu)異的游泳性能，盡管它們的執(zhí)行器很軟，結(jié)構(gòu)也很靈活，但這些機(jī)器人的動(dòng)力和控制電子設(shè)備仍然需要龐大而堅(jiān)硬的容器來(lái)保護(hù)它們免受極端壓力。一種沒有剛性容器、能夠在極端深度的海洋中游泳的軟體機(jī)器人，目前還沒有開發(fā)出來(lái)。

李鐵風(fēng)等人將靈感目標(biāo)鎖定在超深淵帶。在海洋學(xué)上，透光層以下的區(qū)域常被定義為深海，深度一般在200米以下。按照深度不同進(jìn)一步將其劃分為中層帶、深層帶、深淵帶與超深淵帶。獅子魚就是超深淵“居民”，中國(guó)科學(xué)院深淵科考隊(duì)就曾在馬里亞納海溝和雅浦海溝通過(guò)著陸器獲取過(guò)7000多米海底的多個(gè)獅子魚樣本。

仿生獅子魚深海軟體機(jī)器人。

無(wú)需耐壓外殼、電驅(qū)動(dòng)人工肌肉

研究團(tuán)隊(duì)即受到超深淵獅子魚身體構(gòu)造的啟發(fā)。論文中寫道：這條魚的身體特征包括分散式骨骼和擺動(dòng)的胸鰭，這些特征指導(dǎo)了我們深海軟體機(jī)器魚的動(dòng)力、控制和DE（介電彈性體）執(zhí)行器的機(jī)械設(shè)計(jì)。

他們開發(fā)了一款能進(jìn)行深海勘探的仿生軟體機(jī)器魚，整體有22厘米長(zhǎng)（身長(zhǎng)11.5厘米、尾長(zhǎng)10.5厘米)，翼展寬28厘米，大約為一張A4紙的長(zhǎng)寬。

該機(jī)器魚由軟體人工肌肉驅(qū)動(dòng)一對(duì)翅膀狀的柔性胸鰭，通過(guò)節(jié)律性撲翅實(shí)現(xiàn)游動(dòng)。控制電路、電池等硬質(zhì)器件則被融入集成在凝膠狀的軟體機(jī)身中；通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器件和軟體的材料與結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人無(wú)需耐壓外殼，就可以承受萬(wàn)米級(jí)別的深海靜水壓力。

在《自然》同步在線發(fā)表的觀點(diǎn)文章中，新加坡國(guó)立大學(xué)的Cecilia Laschi寫道，李鐵風(fēng)及其面臨的挑戰(zhàn)之一是找到一種方法來(lái)保護(hù)機(jī)器人的電子組件不受高壓的影響。

而研究團(tuán)隊(duì)正是從超深淵獅子魚的骨骼中獲得靈感。通過(guò)對(duì)深海獅子魚的結(jié)構(gòu)分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)深海獅子魚的骨骼細(xì)碎狀地分布在凝膠狀柔軟的身體中，有助于其在高壓力環(huán)境下的生存與活動(dòng)。因此，他們將電子器件分開排列，而不是像其他電子設(shè)備那樣將它們集中在一起。

研究團(tuán)隊(duì)在論文中介紹了這一設(shè)計(jì)原理。如果在單個(gè)印制電路板(PCB)上密集封裝所有電子器件，壓力測(cè)試表明其接口容易發(fā)生故障。有限元分析(FEA)結(jié)果表明，壓力導(dǎo)致的剪切應(yīng)力集中在器件之間的接口。他們則采用分散設(shè)計(jì)，將器件分離到幾個(gè)較小的印制電路板上，從而減輕剪切應(yīng)力。有限元分析結(jié)果表明，在施加相同壓力(110兆帕)下，分散式電子器件界面處的平均剪應(yīng)力(大約10 兆帕)低于集中式電子元件(大約60 兆帕)。

研究還提到，從PCB上分離所有組件在技術(shù)上是困難的，因?yàn)樗鼈償?shù)量龐大。為了減少這些組件之間的應(yīng)力，他們還增加了相鄰電子組件之間的距離。在我們的有限元分析中，當(dāng)相鄰組件之間的距離從0.4毫米增加到2.4毫米時(shí)，最大剪切應(yīng)力降低了17%。

Laschi在上述觀點(diǎn)文章中提到，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和模擬表明，這種排列降低了受壓元件之間界面的應(yīng)力。然后，這些分散的電子設(shè)備被嵌入到硅膠中，與機(jī)器人結(jié)合在一起。“這種方法比其他保護(hù)深海設(shè)備電子器件的方法更實(shí)用，也更便宜。”

“我們的研究目標(biāo)就是以全新技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)深潛器的小型化、柔性化、智能化，大幅降低深海探測(cè)的難度和成本。”李鐵風(fēng)說(shuō)。

此外，電驅(qū)動(dòng)人工肌肉也是這項(xiàng)研究工作的另一個(gè)重要突破。機(jī)器魚要在深海中驅(qū)動(dòng)，還需克服高分子材料在高壓和低溫時(shí)電驅(qū)動(dòng)能力衰減的問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)研制了能適應(yīng)深海低溫、高壓等極端環(huán)境的電驅(qū)動(dòng)人工肌肉，在高壓低溫環(huán)境下依然能保持良好電驅(qū)動(dòng)性能，即便是在馬里亞納海溝的低溫（0-4℃）、高壓環(huán)境（110 兆帕）下依舊能正常工作。

研究團(tuán)隊(duì)巧妙地利用了圍繞在人工肌肉外的海水作為離子導(dǎo)電負(fù)極，由機(jī)器魚自帶能源在人工肌肉內(nèi)外側(cè)厚度方向產(chǎn)生電勢(shì)差，讓高分子薄膜發(fā)生舒張與收縮形變。由此，“翅膀”就能上下拍動(dòng)，推動(dòng)機(jī)器魚水中前行。

驅(qū)動(dòng)模擬。

“打卡” 馬里亞納海溝

李鐵風(fēng)等人通過(guò)大量的壓力環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證材料和結(jié)構(gòu)的可行性，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下證明了機(jī)器人在深海、極地、高沖擊性等惡劣及特種環(huán)境下，具有較好的發(fā)展應(yīng)用前景。

隨后，機(jī)器魚被“Blue Rov”水下無(wú)人機(jī)帶入水中，在70米深的湖中進(jìn)行了測(cè)試，在那里它以每秒3.16厘米的速度自由游動(dòng)。

研究團(tuán)隊(duì)還使用“海馬”號(hào)深海遙控潛水器的機(jī)械臂將軟體機(jī)器魚攜帶至南海約3224米深的地方進(jìn)行了測(cè)試，它達(dá)到了每秒5.19 厘米的速度。

南海3224米深海海試。

2019年12月，這款仿生軟體機(jī)器魚首次成功在馬里亞納海溝坐底，機(jī)器魚隨深海著陸器下潛到約10900米的海底后，在2500毫安鋰電池的驅(qū)動(dòng)下，按照預(yù)定指令拍動(dòng)翅膀，撲翼運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)達(dá)45分鐘，成功實(shí)現(xiàn)了電驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器魚的深海驅(qū)動(dòng)。

馬里亞納海溝10900米深海海試。

研究團(tuán)隊(duì)總結(jié)表示，未來(lái)的工作將專注于開發(fā)軟體輕質(zhì)的材料和結(jié)構(gòu)，讓用于極端條件下的裝置具有更好的智能性、通用性、操縱性和效率。

Laschi在上述觀點(diǎn)文章提到，李鐵風(fēng)等人的研究獲得了突破，嵌入軟材料中的分布式電子元件取代了電子元件的剛性保護(hù)外殼，為開發(fā)新一代深海探險(xiǎn)者鋪平了道路。他同時(shí)提到，在這種設(shè)計(jì)的機(jī)器人進(jìn)入海洋之前，還有更多的工作要做，這包括水下機(jī)器人的速度、承受較大擾動(dòng)的能力，以及移動(dòng)能力，這些都需要進(jìn)一步優(yōu)化以適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用。

該論文審稿人認(rèn)為，該工作會(huì)很大程度推進(jìn)深海機(jī)器人的研究進(jìn)展。