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　　北航新聞網(wang)3月20日電(記者 馮浩)在地球(qiu)最深處(chu)馬里(li)亞(ya)納海溝的(de)萬米深淵，壓強(qiang)相當于(yu)一個指甲蓋上站了一頭一噸重(zhong)的(de)犀牛，溫度接近冰點，此前，能到達(da)(da)這(zhe)里(li)的(de)深海機器(qi)(qi)人(ren)多為重(zhong)量達(da)(da)數噸的(de)剛性體大型潛航器(qi)(qi)，而(er)對身長(chang)1米以內的(de)小型機器(qi)(qi)人(ren)來(lai)說，這(zhe)里(li)的(de)極端環境曾(ceng)是(shi)“禁區”，會(hui)使(shi)它(ta)們“肌肉(rou)僵(jiang)化”、舉步維艱。

　　如(ru)今，一(yi)臺身長不到50厘(li)米、體重僅(jin)1500克(ke)的“小(xiao)精靈”翩(pian)然而至，在深海(hai)高靜水壓(ya)下行若無事，身形矯健、行動自如(ru)，它時(shi)而擺(bai)動尾(wei)(wei)鰭如(ru)游魚穿梭，時(shi)而展(zhan)開背鰭如(ru)海(hai)燕滑(hua)翔，甚至能將尾(wei)(wei)鰭變化成(cheng)腿，在海(hai)底“漫(man)步”。

　　這一能在萬米深海實現多模態運動的小型深海可變形機器人，由北京航空航天大學機械工程及自動化學院研究團隊聯合中科院深海所、浙江大學歷經6年共同研發，深海小型多模態機器人研究成果于3月20日發表在國際學術頂刊《科學·機器人》(Science Robotics)，為深海探索帶來(lai)了更多可能性，成(cheng)果同時(shi)被Science Robotics官網(wang)首(shou)頁大圖介紹。

論文首頁截圖

　　仿生靈感 深海生物多模態運動的智慧啟迪

　　大(da)自然是(shi)人類最偉大(da)的(de)導師(shi)，深(shen)海生物在極端(duan)環境下展現出的(de)適應性和多樣(yang)性，為科研團隊提供了寶貴的(de)仿生靈(ling)感。蝙蝠魚(yu)(yu)是(shi)深(shen)海世界的(de)“舞者(zhe)”，通過巧妙(miao)的(de)鰭肢(zhi)運動(dong)(dong)，在深(shen)海中自由(you)游(you)(you)弋、行(xing)走。研究團隊正是(shi)從蝙蝠魚(yu)(yu)的(de)運動(dong)(dong)模式中汲取靈(ling)感，設(she)計出能夠(gou)游(you)(you)動(dong)(dong)、滑翔(xiang)、爬(pa)行(xing)的(de)多模態(tai)機器人，并(bing)利用手性雙穩態(tai)超材(cai)料結構實現0.75s內的(de)游(you)(you)動(dong)(dong)-走動(dong)(dong)快速轉換，適應不同的(de)海底地形和任務需求。

　　在(zai)(zai)(zai)游動(dong)(dong)模(mo)式(shi)下(xia)(xia)，機(ji)(ji)器(qi)人(ren)通過尾鰭(qi)的(de)擺(bai)動(dong)(dong)產生(sheng)推力，如魚得(de)水(shui)般穿梭，最高速度可達5.5cm/s;在(zai)(zai)(zai)滑(hua)翔模(mo)式(shi)下(xia)(xia)，展開的(de)背鰭(qi)利(li)用水(shui)的(de)升力實現長距離滑(hua)行(xing)，宛如深(shen)海(hai)中(zhong)的(de)海(hai)燕，輕盈(ying)而(er)優雅;在(zai)(zai)(zai)爬行(xing)模(mo)式(shi)下(xia)(xia)，機(ji)(ji)器(qi)人(ren)利(li)用各向異性足部設(she)計，能(neng)夠(gou)實現3cm/s的(de)沙地(di)行(xing)走，穩(wen)健而(er)靈(ling)活。這種多(duo)模(mo)態運動(dong)(dong)能(neng)力，使(shi)機(ji)(ji)器(qi)人(ren)能(neng)夠(gou)在(zai)(zai)(zai)復雜的(de)深(shen)海(hai)環境中(zhong)靈(ling)活應對，完成多(duo)樣(yang)化的(de)任務(wu)，成為深(shen)海(hai)探索的(de)多(duo)面手。

　　核心突破 深海極端環境中的柔性“風火輪”

　　“10000米深(shen)海壓強對(dui)于小(xiao)機器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)來說(shuo)，相當于壓了(le)一(yi)座(zuo)小(xiao)型冰(bing)山”，北航(hang)研(yan)(yan)究團(tuan)隊負責(ze)人(ren)(ren)文力(li)教授的(de)(de)(de)比喻，生(sheng)動(dong)地(di)揭示了(le)深(shen)海小(xiao)機器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)在(zai)研(yan)(yan)發過程中(zhong)(zhong)面(mian)臨(lin)的(de)(de)(de)最大難(nan)題之(zhi)一(yi)。在(zai)深(shen)海的(de)(de)(de)高壓下，柔性(xing)驅(qu)(qu)動(dong)器(qi)(qi)(qi)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)模量增(zeng)加(jia)，類似肌肉的(de)(de)(de)“僵化”，會(hui)導致驅(qu)(qu)動(dong)幅值與速(su)度(du)的(de)(de)(de)衰(shuai)減，削弱(ruo)機器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)的(de)(de)(de)運行(xing)性(xing)能。為(wei)(wei)了(le)克服這一(yi)挑戰，在(zai)多次嘗試之(zhi)后，研(yan)(yan)究團(tuan)隊設計(ji)出了(le)全新的(de)(de)(de)深(shen)海驅(qu)(qu)動(dong)裝置(zhi)：利用雙穩態手性(xing)超材(cai)料(liao)(liao)結構(gou)在(zai)兩個穩態之(zhi)間(jian)切(qie)換時的(de)(de)(de)快速(su)突(tu)跳(snap-through)，實(shi)現高效驅(qu)(qu)動(dong)。這種快速(su)突(tu)跳的(de)(de)(de)速(su)度(du)和(he)幅度(du)會(hui)隨著結構(gou)材(cai)料(liao)(liao)模量的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)而增(zeng)加(jia)，巧(qiao)妙地(di)將深(shen)海高壓對(dui)軟材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)負面(mian)影響扭轉為(wei)(wei)正面(mian)影響，從而“化腐朽為(wei)(wei)神奇”，成為(wei)(wei)提(ti)升機器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)驅(qu)(qu)動(dong)性(xing)能的(de)(de)(de)助(zhu)力(li)，克服了(le)以往(wang)柔性(xing)材(cai)料(liao)(liao)驅(qu)(qu)動(dong)器(qi)(qi)(qi)在(zai)深(shen)海環境下性(xing)能衰(shuai)減的(de)(de)(de)困難(nan)，使得機器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)在(zai)深(shen)海中(zhong)(zhong)能夠實(shi)現更高的(de)(de)(de)驅(qu)(qu)動(dong)速(su)度(du)和(he)幅度(du)，如同深(shen)海中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)“風火輪”，在(zai)壓力(li)中(zhong)(zhong)釋放出驚人(ren)(ren)的(de)(de)(de)動(dong)力(li)。

　　針(zhen)對2-4℃低溫這(zhe)一深海環(huan)境帶來的(de)另一難題(ti)，研究團隊(dui)巧妙利用在低溫環(huan)境下(xia)可實現高頻循環(huan)主動(dong)(dong)(dong)變(bian)形的(de)形狀記憶合(he)金(jin)進行拮(jie)抗驅(qu)動(dong)(dong)(dong)。利用形狀記憶合(he)金(jin)的(de)形狀記憶效應，通過周期性(xing)電流加熱使一對形狀記憶合(he)金(jin)彈簧(huang)主動(dong)(dong)(dong)交替收縮，驅(qu)動(dong)(dong)(dong)手性(xing)超材料(liao)單元的(de)雙(shuang)穩態突跳切換，從而實現驅(qu)動(dong)(dong)(dong)器(qi)的(de)快(kuai)速(su)循環(huan)擺動(dong)(dong)(dong)。進一步(bu)，通過有(you)限元仿真、實驗(yan)室環(huan)境測試及高壓(ya)罐實驗(yan)等方(fang)法，系統(tong)優化(hua)了(le)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)器(qi)關(guan)鍵結構參數，最終實現了(le)靜水壓(ya)力對驅(qu)動(dong)(dong)(dong)性(xing)能的(de)正向強化(hua)，顯(xian)著提升了(le)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)器(qi)的(de)擺動(dong)(dong)(dong)速(su)度與(yu)幅值(zhi)。最后，通過硅油填充的(de)硅膠管、柔性(xing)油囊等封裝(zhuang)技術(shu)，實現了(le)形狀記憶合(he)金(jin)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)器(qi)、電路板和(he)能源系統(tong)的(de)壓(ya)力自補(bu)償(chang)封裝(zhuang)。

　　深海實驗 從實驗室到深海的性能超越

　　為了驗(yan)證機器(qi)(qi)(qi)人(ren)的(de)(de)性(xing)(xing)(xing)能(neng)，研(yan)究(jiu)團隊在(zai)多個深(shen)(shen)海地點進行了實(shi)地測試(shi)。在(zai)幾(ji)年的(de)(de)測試(shi)時間中，機器(qi)(qi)(qi)人(ren)搭載(zai)“深(shen)(shen)海勇士號(hao)”和(he)“奮斗(dou)者號(hao)”載(zai)人(ren)深(shen)(shen)潛器(qi)(qi)(qi)完成了包含海馬冷泉(1384m)、龍(long)西海山(3756m)和(he)馬里亞納海溝(10666m)在(zai)內的(de)(de)多地形、全海深(shen)(shen)的(de)(de)共計14次(ci)部署測試(shi)。在(zai)3756m深(shen)(shen)海下，驅動(dong)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)驅動(dong)性(xing)(xing)(xing)能(neng)超(chao)越了實(shi)驗(yan)室的(de)(de)性(xing)(xing)(xing)能(neng)，在(zai)擺動(dong)幅度上得到了24.9%的(de)(de)提(ti)升(sheng)。在(zai)1384m深(shen)(shen)海的(de)(de)游(you)動(dong)(33.7 mm/s)、滑翔(72.1 mm/s)、爬行(21.5 mm/s)的(de)(de)多模態(tai)運(yun)動(dong)速度與常溫常壓下(游(you)動(dong)33.1 mm/s、滑翔56.9 mm/s、爬行21.5 mm/s)的(de)(de)表現相當。深(shen)(shen)海低溫高壓下機器(qi)(qi)(qi)人(ren)的(de)(de)運(yun)動(dong)性(xing)(xing)(xing)能(neng)可(ke)以媲美甚至(zhi)超(chao)越實(shi)驗(yan)室常溫常壓下的(de)(de)運(yun)動(dong)性(xing)(xing)(xing)能(neng)，并成功實(shi)現了預期(qi)的(de)(de)多模態(tai)運(yun)動(dong)。

　　穿戴式柔性抓手 深海作業的好助手

　　針對深(shen)(shen)海無(wu)法對軟體(ti)生物安全抓(zhua)取的(de)難題，研究(jiu)團隊利(li)用手性(xing)超(chao)材料單元的(de)壓(ya)-扭耦合效應(ying)提出了一(yi)種穿戴式深(shen)(shen)海柔性(xing)抓(zhua)持器(qi)(qi)設計方法。在(zai)抓(zhua)持器(qi)(qi)接(jie)(jie)觸面上(shang)引入分布式微(wei)型手性(xing)結(jie)構，降低(di)了被(bei)抓(zhua)物體(ti)表面的(de)接(jie)(jie)觸應(ying)力(li)集中(zhong)，提高了抓(zhua)持安全性(xing)。當穿戴在(zai)傳統剛(gang)(gang)性(xing)手上(shang)，通過剛(gang)(gang)性(xing)手的(de)線性(xing)開合驅動，該抓(zhua)持器(qi)(qi)能(neng)夠(gou)輸出51.8N的(de)切向抓(zhua)持力(li)，并(bing)在(zai)楊(yang)氏模(mo)量從(cong)104到(dao)109Pa的(de)物體(ti)上(shang)都保持了較低(di)的(de)接(jie)(jie)觸應(ying)力(li)(<33 kPa)。該抓(zhua)手搭載于“奮斗者號”和(he)“深(shen)(shen)海勇(yong)士號”載人深(shen)(shen)潛器(qi)(qi)上(shang)，成(cheng)功完成(cheng)了3400米深(shen)(shen)海環境下(xia)對軟體(ti)海洋(yang)生物(海星、海參、海膽)的(de)無(wu)損抓(zhua)取和(he)采(cai)樣，移動噸級著陸器(qi)(qi)，開箱操作等一(yi)系列深(shen)(shen)海任務。

　　目前，團隊正(zheng)朝著(zhu)深(shen)海(hai)(hai)(hai)柔性機(ji)器人+AI的(de)(de)研究方向努力(li)，為(wei)深(shen)海(hai)(hai)(hai)智能作業提供(gong)更廣(guang)闊的(de)(de)空間。從實驗室水池(chi)到(dao)馬里亞納(na)海(hai)(hai)(hai)溝(gou)再到(dao)成果發(fa)布，這條研發(fa)之路至今走了(le)整整6年。經歷過南海(hai)(hai)(hai)測試時(shi)風(feng)浪打碎機(ji)體(ti)的(de)(de)至暗時(shi)刻，也(ye)享受過萬米海(hai)(hai)(hai)底首(shou)秀成功的(de)(de)歡(huan)呼(hu)雀躍，正(zheng)如團隊成員(yuan)、北(bei)航機(ji)械工程及自動化學院(yuan)博士研究生(sheng)、深(shen)潛人員(yuan)左(zuo)宗(zong)灝所說(shuo)：“深(shen)海(hai)(hai)(hai)科研的(de)(de)魅力(li)在于未(wei)知帶(dai)來的(de)(de)挑戰，每次(ci)下潛的(de)(de)機(ji)會(hui)都彌足珍貴，但永(yong)遠(yuan)相信只要敢(gan)邁步，海(hai)(hai)(hai)底也(ye)會(hui)有光。”

北航(hang)參試學(xue)生左宗灝隨(sui)“深海勇士號”載人深潛器下潛測試

　　未(wei)來，研究團(tuan)隊(dui)將致力于聚焦提升(sheng)深海(hai)小型(xing)機(ji)器(qi)人的(de)續(xu)航能力和運動(dong)效(xiao)率(lv)，實現更大范圍的(de)深海(hai)探(tan)測(ce)(ce)和監測(ce)(ce)，為海(hai)洋(yang)資源(yuan)開發(fa)、考(kao)古發(fa)掘、環境監測(ce)(ce)等領(ling)域提供(gong)更多的(de)北(bei)航方案、中(zhong)國方案。

　　潘飛、劉嘉(jia)琦、左(zuo)宗灝(hao)、何夏(xia)為本(ben)論文的共(gong)同第一作(zuo)者(zhe)，機械工(gong)程(cheng)及自動化(hua)學院文力教(jiao)授(shou)與丁希侖教(jiao)授(shou)為本(ben)論文的通(tong)訊作(zuo)者(zhe)。北航為本(ben)論文的第一單位(wei)及通(tong)訊單位(wei)。本(ben)研究得到了青年科(ke)學基金項目(mu)(A類)和(he)創新研究群體等項目(mu)的資助。

　　論文發表(biao)鏈接：//www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adp7821

　　日前，文力教授憑其在仿生機器(qi)人、軟體(ti)機器(qi)人及(ji)海洋機器(qi)人等領域的(de)學(xue)(xue)術貢獻，榮膺Science Robotics期(qi)刊新一屆編輯(ji)與咨(zi)詢(xun)委員(yuan)會(Editorial and Advisory Boards)委員(yuan)(全球共25名科學(xue)(xue)家入選)。

　　這支來自北(bei)航的(de)深(shen)(shen)海(hai)研(yan)究(jiu)團(tuan)(tuan)隊正在(zai)(zai)嘗(chang)試(shi)(shi)用(yong)科技之翼點(dian)亮深(shen)(shen)淵，或許在(zai)(zai)不遠(yuan)的(de)將來，當(dang)我(wo)們在(zai)(zai)紀錄片中看到成(cheng)群深(shen)(shen)海(hai)機器(qi)人穿(chuan)梭(suo)在(zai)(zai)神秘海(hai)溝間，會想(xiang)起這個在(zai)(zai)實驗室(shi)里迭代調(diao)試(shi)(shi)，在(zai)(zai)科考船上(shang)等(deng)待數據(ju)的(de)科研(yan)團(tuan)(tuan)隊。