中国“机器鱼”登上《自然》封面 发明人独家揭秘:为何能游进万米海底?

最后更新:2000-01-01 浏览:866次

中国“机器鱼”登上《自然》封面 发明人独家揭秘:为何能游进万米海底?

中国“机器鱼”长22厘米,翼展宽度28厘米,就像狮子鱼一样,控制电路、电池等硬质器件不像传统探测设备一样集成封装,而是将它们以软凝胶隔开。

海面下10900米,马里亚纳海沟,地球海洋的最深处。

一条A4纸大小、形状奇异的中国“鱼”,在这漆黑一片的海底,自如地拍动起了“翅膀”。

北京时间3月4日,这条仿生软体机器鱼登上了Nature的封面。这篇题为“Self-powered soft robot inthe Mariana Trench”的论文,是浙江大学航空航天学院交叉力学中心李铁风教授团队与之江实验室合作的最新成果。


涉足马里亚纳海沟这样的极深海底,传统的人造机器为了抵抗强大的水压,必须配备耐压的“盔甲”,但深海生物,却仅凭自身的奇特构造,能在水下万米行动自如。“生命之秘”给“机器之力”以怎样的启发?这条智能“怪鱼”,又将给人类带来怎样的探索新可能?

我们对2019年“科学探索奖”最年轻的获奖人,今年仅34岁的李铁风教授,进行了独家专访。

“狮子鱼”标本作CT

人类对深海所知甚少,特别是海平面6000米以下的“超深渊带”几乎一无所知,阻碍探索的最大障碍,就是海底强大的压力。“在10900米的海底,静水压高约110兆帕,相当于100个大气压。”李铁风形象地比喻说,这相当于一吨重的小汽车全压在指尖上。

传统深海探测设备,甚至需要钛合金这样的高强度金属外壳,或者压力补偿系统来保护,造价昂贵,行动也不够灵活。“但即使在马里亚纳海沟深处,依然有数百个物种,它们应对极高静水压的方式,是不是可以给我们启示?”

钝口拟狮子鱼(Pseudoliparis swirei),成为李铁风团队的灵感来源,这种巴掌大、半透明的柔软鱼类,甚至能在海面下7000多米生活。“我们获得了狮子鱼的标本,给它做了CT,发现这种鱼的骨骼,细碎地分布在凝胶状柔软的身体中,这个身体构造给了我们很大的启发。”李铁风表示。

2018年5月,浙江大学交叉力学中心李铁风教授团队和之江实验室智能机器人研究中心正式启动了以狮子鱼为原型的仿生深海软体机器人研究

中国“机器鱼”长22厘米,翼展宽度28厘米,就像狮子鱼一样,控制电路、电池等硬质器件不像传统探测设备一样集成封装,而是将它们以软凝胶隔开。“通过设计调节器件和软体的材料与结构,优化在高压环境下机器人体内的应力状态,这样’机器鱼‘不再需要外壳保护,即可承受万米级别的深海静水压力。对比传统的‘铠甲式’抗高压深潜装备,这条设计路线,有可能大幅度降低深海探测的难度和成本。”

海水做电极的“人工肌肉”

中国机器鱼有两个能拍动的侧鳍,就像是一对翅膀,机器鱼借助它们游动,而驱动这对儿“翅膀”的,是机器鱼身体上的“人工肌肉”。


中国“机器鱼”和为它提供灵感的“狮子鱼”,长得颇有几分相似。(供图:李铁风)

“在2500毫安锂电池的驱动下,我们的机器鱼在马里亚纳海沟10900米的海底,扑翼运动长达45分钟。电驱动的软体人工肌肉是团队研究工作的另一个重要突破。”李铁风指着机器鱼“鱼翅根部”的两块黑色材料说。

“人工肌肉”使用了介电弹性体。所谓介电弹性,就是指材料能在电压的刺激下产生形变。当机器鱼硅胶体中的电子器件产生电信号时,介电弹性的高分子薄膜就会舒张与收缩,产生像肌肉一样的张弛变形,“人工肌肉”正得名于此。

用在机器鱼上的“人工肌肉”,也有自己的特别之处。一方面,它解决了高分子材料在高压和低温时电驱动能力衰减的问题。即使在马里亚纳海沟的低温(0~4℃)、高压环境(110 MPa)下依旧能正常工作。另一方面,李铁风团队巧妙地利用海水,作为“人工肌肉”的离子导电负极。

“人工肌肉是电驱动,因此就需要正极和负极,一般的做法是在正面和反面各涂一层。内层是正极,外层是负极,你可以想象成一个三明治。但是人工肌肉本身是软的,电极如果太硬,就会限制人工肌肉的动作。海水具有弱导电性,可以非常好的贴敷在人工肌肉外层,用它来做负极,贴得牢,也没束缚。”

“刚柔相济”的未来

新加坡国立大学的机器人学家Cecilia Laschi和英国林肯大学的Marcello Calisti对中国“机器鱼”的评价是:“推动了仿生软体机器人所能实现的极限。”

Nature刊发的论文里,作者则如此总结:“未来的工作将专注于开发软体轻质的材料和结构,让用于极端条件下的装置具有更好的智能性、通用性、操纵性和效率。”


机器鱼在马里亚纳海沟和3224米的南中国海测试实拍截图。(供图:李铁风)

“中国机器鱼”未来到底会怎么用?李铁风介绍说:“我们已经在实验环境下证明了机器人在深海、极地、高冲击性等恶劣及特种环境下,具有较好的发展应用前景。”除了挑战打卡万米海底的马里亚纳海沟,团队还在南海海域进行了3224米的机器鱼深海游动试验,以实地的海洋试验来持续验证整个系统和技术的高可靠性。

“当然首先希望技术能够从实验室更快走向使用,通过对其能源、驱动、感知一体化系统进一步优化,让柔性智能设备直接服务于深海探测作业、环境的观察和深海生物的科考,并实现深海通讯、深海检测等功能。一方面是降低成本,另外一方面软体机器人也有更好的环境适应能力,比如可以更容易、安全地通过狭窄区域。”

而从广义的应用来看,“机器鱼”代表着“刚柔相济”的设计思路和策略,它还有望带来更多创新发展。“比如智能可穿戴设备,人体需要贴合的好,也要应对运动带来的冲击,‘刚柔相济’同样能保护设备中脆弱的芯片。再比如生物医疗设备,它未来应用的环境是人体内部,直接作用于细胞,但硅基的电子器件对生物体并不友好,采取类似‘机器鱼’的融合包裹方法,和人体的接触,就可以达到更高的亲和力。”