登Nature封面！浙大研發(fā)中國(guó)「怪魚(yú)」，裸泳全球最深萬(wàn)米海溝！

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  新智元報(bào)道  

來(lái)源：Nature

編輯：小勻、朋宇

【新智元導(dǎo)讀】馬里亞納海溝，無(wú)人之境。即使是機(jī)器人，也要身穿「盔甲」才得以下潛。然而，一些軟體海洋動(dòng)物，卻能在那里「赤身」暢游。我們能否由此得到啟發(fā)、探索深海？在最新的Nature封面故事中，一條來(lái)自中國(guó)的「軟體機(jī)器魚(yú)」可以給出答案。

某種程度上，我們對(duì)海下的世界一無(wú)所知。

 

馬里亞納海溝，地球目前已知最深的海溝。其深度超過(guò)了11公里。如果把珠穆朗瑪峰放進(jìn)去，還有兩千多米才能夠露出水面。

 

 

多年來(lái)，人類利用水下機(jī)器人探索馬里亞納世界——相比于我們，它們能利用一個(gè)不受深海壓力影響的外殼，保護(hù)內(nèi)在的電池和電子元件。

 

但根據(jù)今天《自然》雜志的封面報(bào)道，外殼可能并非必要。

 

 

受一條奇怪的魚(yú)的啟發(fā)，來(lái)自浙江大學(xué)、之江實(shí)驗(yàn)室的科研人員設(shè)計(jì)了一種柔軟的自主機(jī)器人，它可以承受海洋最深處的巨大壓力，即使在馬里亞納海溝10900米深度的地方，它依然能夠拍鰭振翅。

 

題為「Self-powered soft robot in the Mariana Trench」的論文發(fā)表在最新一期Nature上，一作為之江實(shí)驗(yàn)室的李國(guó)瑞博士，通訊作者為浙江大學(xué)李鐵風(fēng)教授。

靈感來(lái)源：那條「抗壓」的深海魚(yú)

誰(shuí)也無(wú)法承受來(lái)自海底的壓力。

在馬里亞納海溝的最深處、海平面以下約10900米處，上覆的水所產(chǎn)生的壓力大約是海平面大氣壓力的一千倍，相當(dāng)于約1.03億帕斯卡。

 

「這相當(dāng)于一頭大象站在你的拇指上面。」紐約州立大學(xué)杰尼西奧分校的深海生理學(xué)家和生態(tài)學(xué)家Mackenzie Gerringer說(shuō)。

 

傳統(tǒng)的深海機(jī)器人雖有剛性金屬加持，但卻因笨重的身軀而顯得不夠靈活。于是，科學(xué)家們一直向章魚(yú)等海洋軟體動(dòng)物尋找靈感。

 

這時(shí)，鈍口擬獅子魚(yú)（Pseudoliparis swirei）出現(xiàn)了，這是一種半透明的魚(yú)，能夠在馬里亞納海溝8,000米處生活。

 

2018年，在阿塔卡馬海溝發(fā)現(xiàn)的鈍口擬獅子魚(yú)（如圖所示一種），它們生活在深度約7500米的地方。此外，在馬里亞納海溝也有發(fā)現(xiàn)

 

這類魚(yú)很適合生活在高壓深海環(huán)境中，它們的身體呈流線型，只有部分頭骨硬化。

但是，設(shè)計(jì)出「機(jī)器魚(yú)」卻是另外一回事。

 

自主勘探機(jī)器人不僅需要電子裝置為提供動(dòng)力，還需要執(zhí)行各種任務(wù)，無(wú)論是照明、拍攝深海海溝，還是測(cè)試水的化學(xué)成分，收集樣本帶回海面，都很困難。因?yàn)樵谒畨合?，這些電子器件會(huì)相互擠壓。

 

這條魚(yú)提供了別樣的靈感：它的頭骨骨質(zhì)堅(jiān)硬，沒(méi)有完全融合在一起。

聰明的發(fā)育方式，讓鈍口擬獅子魚(yú)的頭骨壓力得以均衡。

南海與馬里亞納海溝「挑戰(zhàn)賽」

同樣地，研究人員決定將機(jī)器魚(yú)的「電子大腦」組件隔開(kāi)，而不是像傳統(tǒng)的電子設(shè)備那樣將電子組件封裝在一起，然后用柔軟的硅膠將它們封裝起來(lái)。

 

 

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室的模擬和測(cè)試表明，這種布局方式減小了高壓情況下組件之間界面處的壓力，

 

團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了一個(gè)與鈍口擬獅子魚(yú)相似的軟體，有兩個(gè)鰭，機(jī)器人可以用它在水中推動(dòng)自己。（但實(shí)際上，鈍口擬獅子魚(yú)并不會(huì)扇動(dòng)鰭，而是像蝌蚪一樣扭動(dòng)身體)。

 

為了測(cè)試機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)室中的游動(dòng)性能，研究人員首先在壓力水腔中進(jìn)行了試驗(yàn)，將機(jī)器人連接到一根桿子上，并繞一圈游動(dòng)。

然后在70米深的湖泊中進(jìn)行了測(cè)試，機(jī)器人能夠以3.16厘米/秒的速度自由游動(dòng)，又在中國(guó)南海以3200 m的深度自由游動(dòng)。它達(dá)到了5.19 厘米/秒的速度（相當(dāng)于每秒0.45體長(zhǎng)）。

 

結(jié)果證明，在游動(dòng)性能上，它不輸其他軟體機(jī)器人。

 

深海測(cè)試截圖

 

最后，在馬里亞納海溝（北緯11.33°，東經(jīng)142.19°，深度10,900 m）測(cè)試了機(jī)器人的拍打運(yùn)動(dòng)和壓力阻力，將軟體機(jī)器人安裝在深海著陸器上。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程由具有壓力容器保護(hù)的攝像機(jī)和led燈記錄。

軟體機(jī)器人具有嵌入式高壓放大器和25mAh鋰離子電池，可以產(chǎn)生0.5Hz的7kV，8kV和9kV的激勵(lì)交流電壓。

最終結(jié)果顯示，在沒(méi)有壓力容器的情況下，機(jī)器魚(yú)撲鰭驅(qū)動(dòng)保持了 45 分鐘。

深海挑戰(zhàn)成功。

關(guān)鍵的設(shè)計(jì)：壓力彈性電子元件

總的來(lái)說(shuō)，機(jī)器人長(zhǎng)約22厘米，從鰭尖到鰭尖的邊長(zhǎng)為28厘米。所有的電子元件都被放在了機(jī)器人身體中，從它的身后，我們可以看到一條和身體差不多長(zhǎng)的尾巴。

 

魚(yú)的「肌肉」位于魚(yú)體和魚(yú)鰭的交界處，它的收縮會(huì)使魚(yú)鰭相對(duì)于魚(yú)體向下拉。

 

 

「肌肉」由能將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械功的材料構(gòu)成，并固定在散熱片上。

 

每側(cè)都有兩個(gè)大鰭，其前緣由較硬的材料制成可以上下彎曲，上面還附著一層薄薄的柔性薄膜，幫助它提供推進(jìn)力。

但研究人員還要面臨一個(gè)重大挑戰(zhàn)：保護(hù)機(jī)器人的電子組件免受高壓侵害。

 

在機(jī)械驅(qū)動(dòng)部分，研究的一個(gè)關(guān)鍵材料——DE（介電彈性體），成為了機(jī)器魚(yú)游動(dòng)的關(guān)鍵。

 

DE能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能，當(dāng)來(lái)自機(jī)器人電池的電流施加到肌肉時(shí)，它們就會(huì)收縮，而在硅樹(shù)脂中的分布布置可以保護(hù)它們免受高壓的影響。

 

 

彈性框架粘在預(yù)拉伸的 DE 肌肉上，以提供支撐，并將 DE 膜的平面內(nèi)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換為鰭拍打運(yùn)動(dòng)，當(dāng)施加交流電壓時(shí)，周期性變形的 DE 肌肉產(chǎn)生兩個(gè)鰭的拍打運(yùn)動(dòng)以推進(jìn)游動(dòng)

 

但在寒冷的高壓環(huán)境下，這種反應(yīng)并沒(méi)有下降多少，穩(wěn)定在7%。雖然不是很好，但仍足以驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的鰭。

 

于是，研究人員對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行了模擬測(cè)試。

 

在110MPa壓力下，有限單元法 (Finite element method)集中式電子裝置的界面剪切應(yīng)力集中情況，以及變壓器周圍應(yīng)力的放大圖。

 

而與集中式相比，分散式電子器件的界面應(yīng)力有所減輕。

 

 

然而，從PCB（印刷電路板，Printed circuit board）上分離所有的組件是技術(shù)上的困難，由于它們的數(shù)量很大。為了減少這些元件之間的應(yīng)力，研究人員增加了相鄰電子元件之間的距離，并將其稱為「距離」。

 

經(jīng)過(guò)測(cè)試得知，當(dāng)相鄰元件之間的距離從0.4毫米增加到2.4毫米時(shí)，最大剪應(yīng)力減少了17%。

 

對(duì)此，新加坡國(guó)立大學(xué)的機(jī)器人學(xué)家Cecilia Laschi和英國(guó)林肯大學(xué)的Marcello Calisti評(píng)價(jià)道，這臺(tái)機(jī)器「推動(dòng)了生物啟發(fā)的軟機(jī)器人所能實(shí)現(xiàn)的極限」。

無(wú)限的探索：發(fā)現(xiàn)不為人知的世界

 

眾所周知，深海海溝充滿了微生物生命，它們樂(lè)于以大量的有機(jī)物質(zhì)為食--從藻類到動(dòng)物尸體--這些有機(jī)物質(zhì)找到了通往海底的道路。

微生物的活動(dòng)表明，這些海溝可能在地球的碳循環(huán)中發(fā)揮了重要作用，而碳循環(huán)又與地球的氣候調(diào)節(jié)有關(guān)。

 

科研人員的研究有了實(shí)質(zhì)性的突破：用嵌入到材料中的分布式的電子設(shè)備代替了傳統(tǒng)有剛性保護(hù)罩的電子設(shè)備，為新一代的深?？碧秸咪伷搅说缆?。

但是，目前也還有許多困難需要克服。這款機(jī)器人比以前報(bào)道的水下機(jī)器人慢，而且不能承受很大的洋流干擾。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來(lái)看，可以預(yù)測(cè)出未來(lái)海洋生物學(xué)的研究途徑。

軟體機(jī)器人可以安全自如地在珊瑚礁或者洞穴中航行，還有一些能夠在海床上爬行，將自己錨定在特定的結(jié)構(gòu)或區(qū)域中，幫助科研人員探索更廣更深的海洋未知處。

參考資料：

https://www.sciencenews.org/article/new-soft-robot-snailfish-crushing-pressures-deep-ocean

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03153-z

https://www.nature.com/articles/d41586-021-00489-y