4年前，當(dāng)時(shí)30歲的浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、工程力學(xué)系教授李鐵風(fēng)及其同事從蝠鲼（又稱“魔鬼魚”）中獲得靈感，設(shè)計(jì)了當(dāng)時(shí)全球游得最快的軟體機(jī)器魚。時(shí)隔4年，李鐵風(fēng)團(tuán)隊(duì)再次受超深淵中的獅子魚啟發(fā)，獲得重大進(jìn)展。

北京時(shí)間3月4日凌晨，頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）以封面文章的形式刊發(fā)了由浙江大學(xué)、中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所、國防科技大學(xué)、上海海洋大學(xué)、大連海事大學(xué)等團(tuán)隊(duì)聯(lián)合完成的一項(xiàng)研究，題為“Self-powered soft robot in the Mariana Trench”。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款能進(jìn)行深?？碧降淖怨┠芊律涹w智能機(jī)器魚。在測試中，該機(jī)器魚能在馬里亞納海溝10900米深處成功驅(qū)動(dòng)，還能在南海3224米處自由游泳。

李鐵風(fēng)為論文的通訊作者。其主要研究方向?yàn)檐浳镔|(zhì)力學(xué)，智能材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟體機(jī)器人、水下智能裝備、醫(yī)療康復(fù)裝置等，提出通過控制力電失穩(wěn)實(shí)現(xiàn)極大電致變形的驅(qū)動(dòng)理論。在Sciennce Advances、Advanced Materials 等期刊上發(fā)表論文50余篇，論文引用2000余次。獲國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金、中國科協(xié)青年人才托舉工程、科學(xué)探索獎(jiǎng)（前沿交叉領(lǐng)域）、麻省理工科技評論科技創(chuàng)新35人（MIT TR35-China）等榮譽(yù)。

海洋占地球表面的70%以上，但目前人類的探索仍局限在較淺的海洋深度，由于深海環(huán)境壓強(qiáng)極高，在那里工作的機(jī)械系統(tǒng)一般需要?jiǎng)傂缘纳眢w和壓力補(bǔ)償系統(tǒng)，因此深海基本上仍是未知區(qū)域。

然而，生活在中等海洋深度(1000米左右)的軟體生物，如章魚和水母，它們沒有龐大或厚重的耐壓身體，卻依然能夠在海洋深處游刃有余。這些軟體生物是軟體機(jī)器人研究的最初靈感來源，并已被廣泛研究，它們的深海中的適應(yīng)性啟發(fā)了水下軟機(jī)器人的設(shè)計(jì)。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，優(yōu)雅的軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)為深海探測提供了途徑。他們在論文中提到，最近的研究表明，具有拍打、波動(dòng)和噴射等推進(jìn)模式的軟體機(jī)器人表現(xiàn)出了優(yōu)異的游泳性能，盡管它們的執(zhí)行器很軟，結(jié)構(gòu)也很靈活，但這些機(jī)器人的動(dòng)力和控制電子設(shè)備仍然需要龐大而堅(jiān)硬的容器來保護(hù)它們免受極端壓力。一種沒有剛性容器、能夠在極端深度的海洋中游泳彈性軟體機(jī)器人，目前還沒有開發(fā)出來。

李鐵風(fēng)等人將靈感目標(biāo)鎖定在超深淵帶。在海洋學(xué)上，透光層以下的區(qū)域常被定義為深海，深度一般在200米以下。按照深度不同進(jìn)一步將其劃分為中層帶、深層帶、深淵帶與超深淵帶。獅子魚就是超深淵“居民”，中國科學(xué)院深淵科考隊(duì)就曾在馬里亞納海溝和雅浦海溝通過著陸器獲取過7000多米海底的多個(gè)獅子魚樣本。

研究團(tuán)隊(duì)即受到超深淵獅子魚身體構(gòu)造的啟發(fā)。論文中寫道：這條魚的身體特征包括分散式骨骼和擺動(dòng)的胸鰭，這些特征指導(dǎo)了我們深海軟體機(jī)器人的動(dòng)力、控制和DE（介電彈性體）執(zhí)行器的機(jī)械設(shè)計(jì)。

他們開發(fā)了一款能進(jìn)行深?？碧降姆律涹w機(jī)器魚，整體有22厘米長（身長11.5厘米、尾長10.5厘米)，翼展寬28厘米。該機(jī)器魚被設(shè)計(jì)成一個(gè)魚形的身體形狀和兩個(gè)拍動(dòng)的側(cè)鰭，擁有機(jī)載電源、操控力以及水下自推進(jìn)的能力。機(jī)器魚兩翼與身體上的“肌肉”相連，它們由一種凝膠狀軟材料制成，可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，當(dāng)機(jī)器魚電池的電流作用于肌肉時(shí)，肌肉就會(huì)舒張與收縮形變，由此帶動(dòng)兩翼拍動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚。

在《自然》同步在線發(fā)表的觀點(diǎn)文章中，新加坡國立大學(xué)的Cecilia Laschi寫道，李鐵風(fēng)及其同事面臨的挑戰(zhàn)之一是找到一種方法來保護(hù)機(jī)器人的電子組件不受高壓的影響。而研究團(tuán)隊(duì)正是從超深淵獅子魚的骨骼中獲得靈感，他們將電子器件分開排列，而不是像其他電子設(shè)備那樣將它們集中在一起。研究還提到，從單個(gè)印制電路板(PCB)上分離所有組件在技術(shù)上是困難的，因?yàn)樗鼈償?shù)量龐大，為此他們還增加了相鄰電子器件之間的距離。

Laschi在上述觀點(diǎn)文章中提到，實(shí)驗(yàn)室測試和模擬表明，這種排列降低了受壓電子器件之間界面的應(yīng)力。然后，這些分散的電子設(shè)備被嵌入到硅膠中，與機(jī)器魚結(jié)合在一起?！斑@種方法比其他保護(hù)深海設(shè)備電子器件的方法更實(shí)用，也更便宜?！?/p>

李鐵風(fēng)等人首先在大量的模擬實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了材料和結(jié)構(gòu)的可行性。隨后，機(jī)器魚被“Blue Rov”水下無人機(jī)帶入水中，在70米深的湖中進(jìn)行了測試，在那里它以每秒3.16厘米的速度自由游動(dòng)。研究團(tuán)隊(duì)還使用“海馬”號(hào)深海遙控潛水器的機(jī)械臂將軟體機(jī)器魚攜帶至南海約3224米深的地方進(jìn)行了測試，它可以自如游泳，達(dá)到了每秒5.19 厘米的速度。該軟體機(jī)器魚還由深海著陸器帶至馬里亞納海溝，在10900米深處的一個(gè)現(xiàn)場試驗(yàn)處驅(qū)動(dòng)成功。在測試中，研究團(tuán)隊(duì)沒有將機(jī)器人從著陸器上釋放，在沒有壓力容器的情況下，機(jī)器魚在2500毫安鋰電池的驅(qū)動(dòng)下，保持拍打45分鐘。

研究團(tuán)隊(duì)總結(jié)表示，未來的工作將專注于開發(fā)軟體輕質(zhì)的材料和結(jié)構(gòu)，讓用于極端條件下的裝置具有更好的智能性、通用性、操縱性和效率。

Laschi在上述觀點(diǎn)文章則提到，李鐵風(fēng)等人的研究獲得了突破，嵌入軟材料中的分布式電子元件取代了電子元件的剛性保護(hù)外殼，為開發(fā)新一代深海探險(xiǎn)者鋪平了道路。他同時(shí)提到，在這種設(shè)計(jì)的機(jī)器人進(jìn)入海洋之前，還有更多的工作要做，這包括水下機(jī)器人的速度、承受較大擾動(dòng)的能力，以及移動(dòng)能力，這些都需要進(jìn)一步優(yōu)化以適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用。

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