在地球最深處
馬里亞納海溝的萬(wàn)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(duì)身長(zhǎng)1米以?xún)?nèi)的小型機(jī)器人來(lái)說(shuō)
這里的極端環(huán)境曾是“禁區(qū)”
會(huì)使它們“肌肉僵化”、舉步維艱
2021年，北航機(jī)器人于馬里亞納海溝(10666m)釋放
如今，一臺(tái)身長(zhǎng)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(wú)事
身形矯健、行動(dòng)自如
它時(shí)而擺動(dòng)尾鰭如游魚(yú)穿梭
時(shí)而展開(kāi)背鰭如海燕滑翔
甚至能將尾鰭變化成腿
在海底“漫步”
機(jī)器人在海底爬行
這一能在萬(wàn)米深海
實(shí)現(xiàn)多模態(tài)運(yùn)動(dòng)的
小型深?？勺冃螜C(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(guó)際學(xué)術(shù)頂刊
《科學(xué)·機(jī)器人》（Science Robotics）
為深海探索帶來(lái)了更多可能性
成果同時(shí)被Science Robotics
官網(wǎng)首頁(yè)大圖介紹
成果概覽視頻
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(lèi)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(yú)是深海世界的“舞者”，通過(guò)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(yú)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(guò)尾鰭的擺動(dòng)產(chǎn)生推力，如魚(yú)得水般穿梭，最高速度可達(dá)5.5cm/s；在滑翔模式下，展開(kāi)的背鰭利用水的升力實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(duì)，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(duì)于小機(jī)器人來(lái)說(shuō)，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(guò)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(lèi)似肌肉的“僵化”，會(huì)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(huì)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(duì)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。
機(jī)器人于中國(guó)南海海馬冷泉(1384m)游動(dòng)、滑行、變形和爬行
針對(duì)2-4℃低溫這一深海環(huán)境帶來(lái)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(guò)周期性電流加熱使一對(duì)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(guò)有限元仿真、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測(cè)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(duì)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(guò)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(cè)試。在幾年的測(cè)試時(shí)間中，機(jī)器人搭載“深海勇士號(hào)”和“奮斗者號(hào)”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(cè)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)。
機(jī)器人于中國(guó)南海中南海山(3756m)測(cè)試
穿戴式柔性抓手
深海作業(yè)的好助手
針對(duì)深海無(wú)法對(duì)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(guò)剛性手的線(xiàn)性開(kāi)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(hào)”和“深海勇士號(hào)”載人深潛器上，成功完成了3400米深海環(huán)境下對(duì)軟體海洋生物（海星、海參、海膽）的無(wú)損抓取和采樣，移動(dòng)噸級(jí)著陸器，開(kāi)箱操作等一系列深海任務(wù)。
超材料柔性手抓取深海海星與海參(3469m)
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(guò)南海測(cè)試時(shí)風(fēng)浪打碎機(jī)體的至暗時(shí)刻，也享受過(guò)萬(wàn)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(shuō)：“深海科研的魅力在于未知帶來(lái)的挑戰(zhàn)，每次下潛的機(jī)會(huì)都彌足珍貴，但永遠(yuǎn)相信只要敢邁步，海底也會(huì)有光?！?
北航參試學(xué)生左宗灝隨“深海勇士號(hào)”載人深潛器下潛測(cè)試
未來(lái)，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(cè)和監(jiān)測(cè)
為海洋資源開(kāi)發(fā)、考古發(fā)掘
環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域
提供更多的北航方案、中國(guó)方案
概念圖
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(lèi)）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(xún)委員會(huì)（Editorial and Advisory Boards）委員（全球共25名科學(xué)家入選）。
這支來(lái)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(lái)
當(dāng)我們?cè)诩o(jì)錄片中看到
成群深海機(jī)器人穿梭在神秘海溝間
會(huì)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)
為北航人點(diǎn)贊！
