自古以来，大自然就是人类各种技术发明的不竭源泉。

　　可上九天揽月，可下五洋捉鳖。古时，受启发于鱼在水中自由来回的本领，人们就模仿其形体造船，并以木桨仿鳍。即使在波涛滚滚的江河中，也能航行自如。

　　在几百万年的自然进化过程中，生物不仅适应自然而且逐步接近完美。科学家在生物和技术之间架起了一座桥梁，从此获得源源不断的灵感。

　　日前，国际顶级期刊《自然》杂志在封面刊发了浙江大学和之江实验室的最新合作成果——仿生深海软体机器人。它的设计灵感来自于狮子鱼，相比于传统的“铠甲式”抗高压深潜装备，无需耐压壳保护，便可承受深海万米级的静水压力。

　　仿生机器人凭什么“打卡”马里亚纳海沟？本报记者专访浙江大学交叉力学中心李铁风教授团队与之江实验室智能机器人研究中心，详解背后突破。

游动在深渊中的

“机械鱼”

　　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”。生物在海沟底部生存，需要承受110兆帕的压力，相当1100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人的指尖上。

　　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米至1.1万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。

　　在海洋学上，透光层以下的区域常被定义为深海，深度一般在200米以下。按照深度不同进一步将其划分为中层带、深层带、深渊带与超深渊带。

　　狮子鱼就是超深渊“居民”，中国科学院深渊科考队就曾在马里亚纳海沟和雅浦海沟通过着陆器获取过7000多米海底的多个狮子鱼样本。

　　生物研究发现，狮子鱼的骨骼细碎状地分布在凝胶状柔软的身体中，有助于其在近百兆帕压力下仍能安然生存、自由活动。

　　“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。”

　　之江实验室研究人员李国瑞谈及研发初心仍难抑制兴奋之情，“我们设定的小目标是在马里亚纳海沟实现软体机器人的自供能驱动，这在当时的确是一个很大胆的设想。”

　　在深海科考中，为了抵抗巨大的静水压力，现有的深海机器人均需高强度的金属耐压容器保护。而摒弃耐压壳保护和电机驱动，在深海实现软体机器人的自供能驱动，这件事儿还没有人干成过。

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

　　记者在现场看到，项目组研发的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。

　　“相比于传统的‘铠甲式’抗高压深潜装备，我们以全新技术路线研制仿生深海软体机器人，争取大幅降低深海探测的难度和成本。”李国瑞说。

适应高压低温的“人工肌肉”驱动

　　李国瑞回忆，项目成立后，他每半个月就要去上海做一次机器人的实验验证，很多次都是自信满满出发，带着遗憾归来。

　　电子器件压溃、材料驱动失效、密封失败等各种各样的问题屡次将他击倒在地，在总结失败经验后，团队又带着他一次又一次站起来。

　　他形容做研究就像是“升级打怪”，每次都会遇到不同的BUG，但是从未想过放弃。

　　深海机器人是如何实现推进的呢？李铁风介绍，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。

　　“力学是一门古老而传统的学科，这个成果体现了交叉力学研究在多学科合作中的融合与桥梁作用，非常感谢不同学科背景和技术特长的成员们通力协作。”

　　据了解，除了浙大航空航天学院及之江实验室的科研力量外，浙大的机械学院、能源学院、化工学院、海洋学院和中科院深海研究所等多个研究团队都参与了该项目研究。

“打卡”马里亚纳海沟

　　项目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，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，仿生深海软体机器人在马里亚纳海沟坐底。海试影像记录显示，在马里亚纳海沟10900米深处，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，成功实现了软体机器人的深海驱动。

　　2020年8月27日深夜，该软体机器人在南海3224米深处成功实现了自主游动，达到了每秒5.19厘米的速度。“凌晨3时，我们在主控室里一分一秒地注视着，等待机器人在海底启动。当看到机器人成功完成预定游动时，悬着的心终于放了下来，数年的艰难探索终于取得了里程碑式进展。”李国瑞说。

　　“对于我们来说，一切海试都是不可控的，我们能做的就是在出海之前做好最充分的准备。”李国瑞说，当初南海海试时项目组就遇到了超强台风，在海上整整漂了10天，仅获得了一次实验的机会。“海试让技术从实验室更快走向应用，我们抓住了返航前一晚天气转好的唯一机会，做成了机器人的深海试验。”

　　目前，仿生深海软体机器人实现了两项关键性技术突破：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驱动的新型介电高弹体驱动器。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。