浙大机器鱼登Nature封面!22cm身段,探索地球最深海沟

原创 PC4f5X  2021-03-04 17:42 

萧箫 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

让指尖承受1吨重量,这样的压力能Hold住吗?

来自浙大的机器鱼,就确实做到了——不仅承受住了10000米深海的巨大压强,还在其中自如游动了45分钟。

而且只有这么小(身长22厘米,展翅28厘米):

在以往,科学家们要是想探索万米以下的海沟,所采用的装置通常得这么大:

这些装置材料不仅得有足够的强度(如钛合金)、厚度,或是自带巨大的压力补偿系统,才能承受住万米深海的重压。

浙大的这条机器鱼,打破了传统深海探测装置“硬刚”的方法,首次实现了在万米深海中,自能源软体机器人自主游动的能力。

这项研究,现在登上了Nature封面。

为什么这么能抗压?

传统的水下航行器,通常需要用高强度金属材料来制成外壳,对航行器进行保护。

随着水域越来越深,外壳的厚度和尺寸也需要得到相应提升,机器就会越来越大。

然而,在海洋最深处的马里亚纳海沟,却仍然生存着数百种生物,其中就包括一种名为钝口拟狮子鱼(Pseudoliparis swirei)的生物,体型并不大。

这种狮子鱼没有坚硬的外壳,却还能在水中自如游动。

从图中可以看见,它的头部非常大,但能承受住深海的重压。

这是怎么做到的?

研究人员对它的身体结构进行了分析,发现这种鱼的骨骼,细碎地分布在柔软的凝胶状身体中。

这也解释了为什么传统电路结构在深海中极易出现故障——

通常,运行机械系统的电路结构,会被密集地封装在一整块印刷电路板(PCB)上,一旦承受的压力增大,电路板接口就容易出问题。

例如,下图是一块完整的电路板。如果施压过大,电路板和电路元件之间的接口就非常容易损坏。

但如果将电路板,像鱼的骨骼那样“拆开打碎”,分装在几个更小的电路板中呢?

事实证明,这样做所带来的效果非常显著,将压力分散到了更小的电路板中。

但这样还不够,因为电路板上的元件分布太密集,不足以承受深海中的压力。

研究人员又重新设计了电路,尽可能将元件分散,将相邻元件之间的距离增加了6倍,变成2.4mm(图中d的大小)。

这样,做出来的电路结构,在硅树脂(电绝缘、耐温、防水)的包裹下,能承受巨大的压力。

除此之外,还得让鱼在高压下前行。

为了达成这一目的,研究人员想到了用电势差的方法:利用海水作为离子导电负极,用机器鱼自带能源在“翅膀”内外侧产生电势差。

这样,人工“翅膀”(高分子薄膜)就能发生形变,使得翅膀上下拍动,推动机器鱼前行。

这项研究由浙大的李铁风团队完成,共同一作为浙大研究员李国瑞、博士研究生陈祥平和周方浩。

在这个机器鱼实现之前,还没有科学家在深海实现过这种自供能驱动的软体机器人

李国瑞表示:“这种软体机器人无需耐压外壳,便能承受万米级深海静水压力,大幅降低了深海探测的难度和成本。”

曾发明最快仿生软体机器鱼

事实上,早在2017年,李铁风团队就曾经制造过当时世界最快的仿生软体机器鱼,研究登上Science子刊。

这种机器鱼参考了蝠鲼的设计,全长9.3厘米,可以以每秒6厘米的速度,游上3小时。

同样,它也采用了“电子肌肉”的设计:上下两层是透明高弹体薄膜,中间是导电材料。

随着“电子肌肉”通电,这条软体机器鱼就能在红外线的操控下,实现前进等各种动作。

而且,这种鱼类的主要结构,还能通过3D打印技术直接成型。

“科研就像升级打怪一样”

这项研究的共同作者有三位,分别是浙大之江实验室的科研人员李国瑞、博士研究生陈祥平、周方浩,通讯作者为李铁风。

主要作者李国瑞,陈祥平,周方浩,梁艺鸣与李铁风,图源浙江大学

发明这个深海软体机器鱼的想法,源于李铁风和李国瑞在机器人顶会ICRA上的一次讨论。

这在当时,提出这样的设想,会面临非常大的压力,因为此前,还没有人成功做出过这样的软体机器人。

过程中,李国瑞失败过很多次,自述“每半个月就会做一次机器压力测试,做前都是信心满满。然而,几乎每次都会出现各种各样的问题。”

图源之江实验室

而且,在马里亚纳海沟实施最终海试时,团队还在南海遇到了超强台风

但最后,团队还是克服困难,成功完成了深海测试。

李国瑞形容,科研过程就像是“升级打怪”,遇到各种bug,都是非常正常的事情。

他认为,每解决一个bug,都可以看成是向成功前进一步,如果不放弃,就能实现最终的目标。

论文地址:

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

参考链接:

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/kDfg81sNLt-izjP6xZlmNw

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

[3]https://advances.sciencemag.org/content/3/4/e1602045

延伸阅读


在马里亚纳海沟驱动!浙大等团队软体机器鱼登《自然》封面

4年前,当时30岁的浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室、工程力学系教授李铁风及其同事从蝠鲼(又称“魔鬼鱼”)中获得灵感,设计了当时全球游得最快的软体机器鱼。时隔4年,李铁风团队再次受超深渊中的狮子鱼启发,获得重大进展。

北京时间3月4日凌晨,顶级学术期刊《自然》(Nature)以封面文章的形式刊发了由浙江大学、中国科学院深海科学与工程研究所、国防科技大学、上海海洋大学、大连海事大学等团队联合完成的一项研究,题为“Self-powered soft robot in the Mariana Trench”。

研究团队设计了一款能进行深海勘探的自供能仿生软体智能机器鱼。在测试中,该机器鱼能在马里亚纳海沟10900米深处成功驱动,还能在南海3224米处自由游泳。

李铁风为论文的通讯作者。其主要研究方向为软物质力学,智能材料结构设计、软体机器人、水下智能装备、医疗康复装置等,提出通过控制力电失稳实现极大电致变形的驱动理论。在Sciennce Advances、Advanced Materials 等期刊上发表论文50余篇,论文引用2000余次。获国家自然科学基金优秀青年基金、中国科协青年人才托举工程、科学探索奖(前沿交叉领域)、麻省理工科技评论科技创新35人(MIT TR35-China)等荣誉。

海洋占地球表面的70%以上,但目前人类的探索仍局限在较浅的海洋深度,由于深海环境压强极高,在那里工作的机械系统一般需要刚性的身体和压力补偿系统,因此深海基本上仍是未知区域。

然而,生活在中等海洋深度(1000米左右)的软体生物,如章鱼和水母,它们没有庞大或厚重的耐压身体,却依然能够在海洋深处游刃有余。这些软体生物是软体机器人研究的最初灵感来源,并已被广泛研究,它们的深海中的适应性启发了水下软机器人的设计。

研究团队认为,优雅的软体机器人设计为深海探测提供了途径。他们在论文中提到,最近的研究表明,具有拍打、波动和喷射等推进模式的软体机器人表现出了优异的游泳性能,尽管它们的执行器很软,结构也很灵活,但这些机器人的动力和控制电子设备仍然需要庞大而坚硬的容器来保护它们免受极端压力。一种没有刚性容器、能够在极端深度的海洋中游泳弹性软体机器人,目前还没有开发出来。

李铁风等人将灵感目标锁定在超深渊带。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。

研究团队即受到超深渊狮子鱼身体构造的启发。论文中写道:这条鱼的身体特征包括分散式骨骼和摆动的胸鳍,这些特征指导了我们深海软体机器人的动力、控制和DE(介电弹性体)执行器的机械设计。

他们开发了一款能进行深海勘探的仿生软体机器鱼,整体有22厘米长(身长11.5厘米、尾长10.5厘米),翼展宽28厘米。该机器鱼被设计成一个鱼形的身体形状和两个拍动的侧鳍,拥有机载电源、操控力以及水下自推进的能力。机器鱼两翼与身体上的“肌肉”相连,它们由一种凝胶状软材料制成,可以将电能转化为机械功,当机器鱼电池的电流作用于肌肉时,肌肉就会舒张与收缩形变,由此带动两翼拍动驱动机器鱼。

在《自然》同步在线发表的观点文章中,新加坡国立大学的Cecilia Laschi写道,李铁风及其同事面临的挑战之一是找到一种方法来保护机器人的电子组件不受高压的影响。而研究团队正是从超深渊狮子鱼的骨骼中获得灵感,他们将电子器件分开排列,而不是像其他电子设备那样将它们集中在一起。研究还提到,从单个印制电路板(PCB)上分离所有组件在技术上是困难的,因为它们数量庞大,为此他们还增加了相邻电子器件之间的距离。

Laschi在上述观点文章中提到,实验室测试和模拟表明,这种排列降低了受压电子器件之间界面的应力。然后,这些分散的电子设备被嵌入到硅胶中,与机器鱼结合在一起。“这种方法比其他保护深海设备电子器件的方法更实用,也更便宜。”

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(责任编辑:戴丽丽_NN4994)

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