北航新聞網(wǎng)3月20日電(記者 馮浩)在地球最深處馬里亞納海溝的萬米深淵，壓強(qiáng)相當(dāng)于一個(gè)指甲蓋上站了一頭一噸重的犀牛，溫度接近冰點(diǎn)，此前，能到達(dá)這里的深海機(jī)器人多為重量達(dá)數(shù)噸的剛性體大型潛航器，而對身長1米以內(nèi)的小型機(jī)器人來說，這里的極端環(huán)境曾是“禁區(qū)”，會使它們“肌肉僵化”、舉步維艱。

　　如今，一臺身長不到50厘米、體重僅1500克的“小精靈”翩然而至，在深海高靜水壓下行若無事，身形矯健、行動(dòng)自如，它時(shí)而擺動(dòng)尾鰭如游魚穿梭，時(shí)而展開背鰭如海燕滑翔，甚至能將尾鰭變化成腿，在海底“漫步”。

　　這一能在萬米深海實(shí)現(xiàn)多模態(tài)運(yùn)動(dòng)的小型深海可變形機(jī)器人，由北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中科院深海所、浙江大學(xué)歷經(jīng)6年共同研發(fā)，深海小型多模態(tài)機(jī)器人研究成果于3月20日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)頂刊《科學(xué)·機(jī)器人》(Science Robotics)，為深海探索帶來了更多可能性，成果同時(shí)被Science Robotics官網(wǎng)首頁大圖介紹。

論文首頁截圖

　　仿生靈感 深海生物多模態(tài)運(yùn)動(dòng)的智慧啟迪

　　大自然是人類最偉大的導(dǎo)師，深海生物在極端環(huán)境下展現(xiàn)出的適應(yīng)性和多樣性，為科研團(tuán)隊(duì)提供了寶貴的仿生靈感。蝙蝠魚是深海世界的“舞者”，通過巧妙的鰭肢運(yùn)動(dòng)，在深海中自由游弋、行走。研究團(tuán)隊(duì)正是從蝙蝠魚的運(yùn)動(dòng)模式中汲取靈感，設(shè)計(jì)出能夠游動(dòng)、滑翔、爬行的多模態(tài)機(jī)器人，并利用手性雙穩(wěn)態(tài)超材料結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)0.75s內(nèi)的游動(dòng)-走動(dòng)快速轉(zhuǎn)換，適應(yīng)不同的海底地形和任務(wù)需求。

　　在游動(dòng)模式下，機(jī)器人通過尾鰭的擺動(dòng)產(chǎn)生推力，如魚得水般穿梭，最高速度可達(dá)5.5cm/s;在滑翔模式下，展開的背鰭利用水的升力實(shí)現(xiàn)長距離滑行，宛如深海中的海燕，輕盈而優(yōu)雅;在爬行模式下，機(jī)器人利用各向異性足部設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)3cm/s的沙地行走，穩(wěn)健而靈活。這種多模態(tài)運(yùn)動(dòng)能力，使機(jī)器人能夠在復(fù)雜的深海環(huán)境中靈活應(yīng)對，完成多樣化的任務(wù)，成為深海探索的多面手。

　　核心突破 深海極端環(huán)境中的柔性“風(fēng)火輪”

　　“10000米深海壓強(qiáng)對于小機(jī)器人來說，相當(dāng)于壓了一座小型冰山”，北航研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人文力教授的比喻，生動(dòng)地揭示了深海小機(jī)器人在研發(fā)過程中面臨的最大難題之一。在深海的高壓下，柔性驅(qū)動(dòng)器材料的模量增加，類似肌肉的“僵化”，會導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)幅值與速度的衰減，削弱機(jī)器人的運(yùn)行性能。為了克服這一挑戰(zhàn)，在多次嘗試之后，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了全新的深海驅(qū)動(dòng)裝置：利用雙穩(wěn)態(tài)手性超材料結(jié)構(gòu)在兩個(gè)穩(wěn)態(tài)之間切換時(shí)的快速突跳(snap-through)，實(shí)現(xiàn)高效驅(qū)動(dòng)。這種快速突跳的速度和幅度會隨著結(jié)構(gòu)材料模量的增加而增加，巧妙地將深海高壓對軟材料的負(fù)面影響扭轉(zhuǎn)為正面影響，從而“化腐朽為神奇”，成為提升機(jī)器人驅(qū)動(dòng)性能的助力，克服了以往柔性材料驅(qū)動(dòng)器在深海環(huán)境下性能衰減的困難，使得機(jī)器人在深海中能夠?qū)崿F(xiàn)更高的驅(qū)動(dòng)速度和幅度，如同深海中的“風(fēng)火輪”，在壓力中釋放出驚人的動(dòng)力。

　　針對2-4℃低溫這一深海環(huán)境帶來的另一難題，研究團(tuán)隊(duì)巧妙利用在低溫環(huán)境下可實(shí)現(xiàn)高頻循環(huán)主動(dòng)變形的形狀記憶合金進(jìn)行拮抗驅(qū)動(dòng)。利用形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)，通過周期性電流加熱使一對形狀記憶合金彈簧主動(dòng)交替收縮，驅(qū)動(dòng)手性超材料單元的雙穩(wěn)態(tài)突跳切換，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的快速循環(huán)擺動(dòng)。進(jìn)一步，通過有限元仿真、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測試及高壓罐實(shí)驗(yàn)等方法，系統(tǒng)優(yōu)化了驅(qū)動(dòng)器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了靜水壓力對驅(qū)動(dòng)性能的正向強(qiáng)化，顯著提升了驅(qū)動(dòng)器的擺動(dòng)速度與幅值。最后，通過硅油填充的硅膠管、柔性油囊等封裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器、電路板和能源系統(tǒng)的壓力自補(bǔ)償封裝。

　　深海實(shí)驗(yàn) 從實(shí)驗(yàn)室到深海的性能超越

　　為了驗(yàn)證機(jī)器人的性能，研究團(tuán)隊(duì)在多個(gè)深海地點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)地測試。在幾年的測試時(shí)間中，機(jī)器人搭載“深海勇士號”和“奮斗者號”載人深潛器完成了包含海馬冷泉(1384m)、龍西海山(3756m)和馬里亞納海溝(10666m)在內(nèi)的多地形、全海深的共計(jì)14次部署測試。在3756m深海下，驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)性能超越了實(shí)驗(yàn)室的性能，在擺動(dòng)幅度上得到了24.9%的提升。在1384m深海的游動(dòng)(33.7 mm/s)、滑翔(72.1 mm/s)、爬行(21.5 mm/s)的多模態(tài)運(yùn)動(dòng)速度與常溫常壓下(游動(dòng)33.1 mm/s、滑翔56.9 mm/s、爬行21.5 mm/s)的表現(xiàn)相當(dāng)。深海低溫高壓下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能可以媲美甚至超越實(shí)驗(yàn)室常溫常壓下的運(yùn)動(dòng)性能，并成功實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的多模態(tài)運(yùn)動(dòng)。

　　穿戴式柔性抓手 深海作業(yè)的好助手

　　針對深海無法對軟體生物安全抓取的難題，研究團(tuán)隊(duì)利用手性超材料單元的壓-扭耦合效應(yīng)提出了一種穿戴式深海柔性抓持器設(shè)計(jì)方法。在抓持器接觸面上引入分布式微型手性結(jié)構(gòu)，降低了被抓物體表面的接觸應(yīng)力集中，提高了抓持安全性。當(dāng)穿戴在傳統(tǒng)剛性手上，通過剛性手的線性開合驅(qū)動(dòng)，該抓持器能夠輸出51.8N的切向抓持力，并在楊氏模量從104到109Pa的物體上都保持了較低的接觸應(yīng)力(<33 kPa)。該抓手搭載于“奮斗者號”和“深海勇士號”載人深潛器上，成功完成了3400米深海環(huán)境下對軟體海洋生物(海星、海參、海膽)的無損抓取和采樣，移動(dòng)噸級著陸器，開箱操作等一系列深海任務(wù)。

　　目前，團(tuán)隊(duì)正朝著深海柔性機(jī)器人+AI的研究方向努力，為深海智能作業(yè)提供更廣闊的空間。從實(shí)驗(yàn)室水池到馬里亞納海溝再到成果發(fā)布，這條研發(fā)之路至今走了整整6年。經(jīng)歷過南海測試時(shí)風(fēng)浪打碎機(jī)體的至暗時(shí)刻，也享受過萬米海底首秀成功的歡呼雀躍，正如團(tuán)隊(duì)成員、北航機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院博士研究生、深潛人員左宗灝所說：“深?？蒲械镊攘υ谟谖粗獛淼奶魬?zhàn)，每次下潛的機(jī)會都彌足珍貴，但永遠(yuǎn)相信只要敢邁步，海底也會有光?！?/p>

北航參試學(xué)生左宗灝隨“深海勇士號”載人深潛器下潛測試

　　未來，研究團(tuán)隊(duì)將致力于聚焦提升深海小型機(jī)器人的續(xù)航能力和運(yùn)動(dòng)效率，實(shí)現(xiàn)更大范圍的深海探測和監(jiān)測，為海洋資源開發(fā)、考古發(fā)掘、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域提供更多的北航方案、中國方案。

　　潘飛、劉嘉琦、左宗灝、何夏為本論文的共同第一作者，機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院文力教授與丁希侖教授為本論文的通訊作者。北航為本論文的第一單位及通訊單位。本研究得到了青年科學(xué)基金項(xiàng)目(A類)和創(chuàng)新研究群體等項(xiàng)目的資助。

　　論文發(fā)表鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adp7821

　　日前，文力教授憑其在仿生機(jī)器人、軟體機(jī)器人及海洋機(jī)器人等領(lǐng)域的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)，榮膺Science Robotics期刊新一屆編輯與咨詢委員會(Editorial and Advisory Boards)委員(全球共25名科學(xué)家入選)。

　　這支來自北航的深海研究團(tuán)隊(duì)正在嘗試用科技之翼點(diǎn)亮深淵，或許在不遠(yuǎn)的將來，當(dāng)我們在紀(jì)錄片中看到成群深海機(jī)器人穿梭在神秘海溝間，會想起這個(gè)在實(shí)驗(yàn)室里迭代調(diào)試，在科考船上等待數(shù)據(jù)的科研團(tuán)隊(duì)。