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浙大与之江实验室合作新成果登上《自然》封面

发布日期:2021-03-04

       3月4日上午,记者从浙江大学了解到,该校与之江实验室合作的仿生深海软体机器人最新研究——马里亚纳海沟的自驱动软体机器人,作为封面文章刊发在国际顶级期刊《自然》上。

       该研究成果率先提出机电系统软-硬共融的压力适应原理,成功研制了无需耐压外壳的仿生软体智能机器人,首次实现了在万米深海自带能源软体人工肌肉驱控和软体机器人深海自主游动。这种环境自适应的仿生软体机器人和智能系统,将为深海探索科考、环境监测与资源勘探提供解决方案,为复杂环境与任务下机器人及智能系统设计提供新思路。

       之江实验室研究人员李国瑞,浙江大学博士研究生陈祥平、周方浩为论文共同第一作者,通讯作者为浙江大学航空航天学院交叉力学中心教授李铁风。

       走进深渊 解锁深海生存密码

       位于西太平洋的马里亚纳海沟是已知的海洋最深处,水压高、温度低、完全黑暗,被称为“地球第四极”。随着深潜技术的不断发展,人们发现,茫茫深海并非一片死寂,在马里亚纳海沟6000—11000米之间的极高压深水区,仍有数百种物种生存,狮子鱼就是其中的典型代表。

       万米海底的压力有多大?李铁风说在10900米的海底,静水压高约110兆帕,接近于1100个大气压。用一个不太恰当的比方,相当于一吨重的小汽车全压在指尖上。过去,需要高强度的金属外壳(如钛合金)或压力补偿系统来保护,才能克服深海的极高静水压。

       生物学研究发现,狮子鱼的骨骼细碎状地分布在凝胶状柔软的身体中,能承受近百兆帕的压力,相当1000个大气压强。打个不恰当的比方,这巨大的压力相当于约一吨重的小汽车全压在指尖上。“狮子鱼的奇特构造带给我们很大启发。如果能将深海的‘生命奥秘’化作‘机器之力’,我们就可以研发出自适应深海极端环境的仿生、软体、小型化智能深海机器人,既可助力深海探索,又能发展新型机器人与智能装备。”李国瑞谈及研发初心仍难抑制兴奋之情。

       基于狮子鱼头部骨骼在软组织中的分散融合这一特点,项目组对电子器件和软基体的结构、材料进行力学设计,优化了在高压环境下机器人体内的应力状态。记者在现场看到,这台仿生深海软体机器人形似一条鱼,长22cm,翼展宽度28cm,大约为一张A4纸的长宽。控制电路、电池等硬质器件被融入集成在凝胶状的软体机身中;通过设计调节器件和软体的材料与结构,实现了机器人无需耐压外壳,便能承受万米级别的深海静水压力。

       “我们的研究目标就是以全新技术路线实现深潜器的小型化、柔性化、智能化,大幅降低深海探测的难度和成本。”李铁风说。

       突破极限 创新“智能人工肌肉驱动”

       深海机器人是如何实现推进的呢?机器人依靠的是自身携带的小型化能源控制系统及两翼中间椭圆形部位的介电弹性体人工肌肉。当硅胶体中的电子器件产生电信号时,介电弹性体会在该电压信号的刺激下产生像肌肉一样的变形模式,“仿生机器鱼”的双翼就会随着肌肉的伸缩进行扑翼运动,驱动机器人前进。

       然而,要实现介电弹性体在深海中的驱动,还需克服在高压和低温条件下高分子材料的电驱动性能衰减问题。项目团队与浙江大学化学工程与生物工程学院罗英武教授团队合作,研制了一种能适应深海低温、高压等极端环境的电驱动人工肌肉,即便是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。“我们的另一个研究突破就在于设计了一种能在高压低温环境下依然能保持良好电驱动性能的电驱动智能软材料。”李铁风说。

       总结来说,适应深海静水压力的软-硬融合机器系统,适用于深海高压低温环境的新型介电高弹体驱动器,两项技术突破造就了这台全新的仿生深海软体机器人。

       探索无止境 软体机器人应用前景广阔

       在研制过程中,团队通过大量的压力环境模拟实验来验证材料和结构的可行性,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。然而团队还是想以实地的海洋试验来验证整个系统和技术的高可靠性。

       2019年12月,仿生软体机器鱼首次成功在马里亚纳海沟坐底,机器鱼随深海着陆器下潜到约10900米的海底后,在2500毫安锂电池的驱动下,按照预定指令拍动翅膀,扑翼运动长达45分钟,成功实现了电驱动软体机器鱼的深海驱动。

       科学探索永无止境。2020年团队克服了新冠疫情和极端恶劣天气影响,进行了多次海试。在一次深海游动试验中,团队为避开超强台风在南海上漂了多天,参加此次海试的李国瑞和陈祥平说,夜里海况条件突然转好,他们就在凌晨的时间窗口时分开始了紧张实验。“凌晨三点钟,我们在主控室里,一分一秒地等待机器鱼在海底启动。当看到成功完成预定游动时,悬着的心终于放了下来,数年的艰难探索取得了里程碑式进展。”李国瑞说,海试让技术从实验室更快地走向实用。

       论文审稿人认为,该工作会很大程度推进深海机器人的研究进展。李铁风介绍,这项研究为深海探测作业、环境的观察和深海生物的科考提供了新的解决方案,有望大幅提升深海智能装备和机器人的应用能力,让柔性智能设备从常规环境走向深海作业等多样任务与复杂场景,又迈出了坚实的一步。

       “我们的机器人在深海、极地、高冲击性等恶劣及特种环境下,具有良好的发展应用前景。”李国瑞表示,未来项目组将继续研究深海软体智能设备的能源、驱动、感知一体化系统,提升仿生深海软体机器人的智能性,同时降低应用成本。团队成员、之江实验室研究人员梁艺鸣展望说:“我们还计划将仿生软体机器人的关键技术运用到深潜器上,研制小型化的深海装备,实现深海通讯、深海检测等功能。”

延伸阅读
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(来源:浙江新闻客户端)
本文由浙江大学培训官网整理编辑发布
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