地球的深處往往披著神秘的色彩，誘使著人們努力前往探索，嘗試揭開(kāi)深處的奧秘。但是最深處的海洋區(qū)域由于極高的靜水壓力仍未能被觸及。
設(shè)計(jì)精良的機(jī)器人可在水下任務(wù)中提供出色的機(jī)動(dòng)性和功能。為了探索3,000 m至11,000 m的深度，剛性機(jī)器人是需要壓力容器或壓力補(bǔ)償系統(tǒng)的。然而，考慮到極端條件下的結(jié)構(gòu)破壞風(fēng)險(xiǎn)，深海勘探仍具有挑戰(zhàn)性。
成果簡(jiǎn)介
近日，浙江大學(xué)李鐵風(fēng)教授等人受深海獅子魚(yú)的啟發(fā)，開(kāi)發(fā)了一種由軟材料制成的機(jī)器人，它可以勇敢地穿越未經(jīng)探索的深海。成果登上Nature雜志封面。
圖|設(shè)計(jì)概念圖
整體設(shè)計(jì)
該機(jī)器人設(shè)計(jì)為具有魚(yú)一樣的身體形狀和兩個(gè)拍打的側(cè)鰭。研究人員使用了一種成熟的機(jī)制來(lái)驅(qū)動(dòng)拍打。鰭片附著在機(jī)器人身體的“肌肉”上；這些鰭是由一種柔軟的材料制成的，這種材料能將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功——當(dāng)機(jī)器人電池的電流施加于肌肉時(shí)，肌肉就會(huì)收縮。微小的固體結(jié)構(gòu)將收縮的肌肉機(jī)械地連接到鰭上，使它們扇動(dòng)。
圖|軟機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造
分布式嵌入硅樹(shù)脂
作者面臨的挑戰(zhàn)之一是找到一種方法來(lái)保護(hù)機(jī)器人的電子組件免受高壓侵害。作者從深海獅子魚(yú)頭骨的骨頭中汲取了靈感，作者將電子組件隔開(kāi)，而不是像通常在電子設(shè)備中那樣將它們包裝在一起。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和模擬表明，這種布置減小了在壓力下組件之間的界面處的應(yīng)力。然后將分布式電子設(shè)備嵌入硅樹(shù)脂中，以合并到機(jī)器人中。這種方法比其他用于保護(hù)深海設(shè)備中電子設(shè)備的方法更實(shí)用，更便宜。
圖|聚合物封裝電子設(shè)備的耐壓彈性
海洋最深處游泳試驗(yàn)
研究人員首先在實(shí)驗(yàn)室的加壓水室內(nèi)測(cè)試了該機(jī)器人的游泳能力，該機(jī)器人被連接到一根桿子上，并繞一圈游動(dòng)。然后，該機(jī)器在70米深的湖泊中進(jìn)行了測(cè)試，然后以每秒3.16 cm的速度自由游動(dòng)，然后在中國(guó)南海約3200 m的深處進(jìn)行游泳試驗(yàn)。它達(dá)到了5.19 cm s-1（相當(dāng)于每秒0.45體長(zhǎng)）的速度，這與其他軟機(jī)器人的功能是一致的。最后，在馬里亞納海溝中測(cè)試了機(jī)器人的拍打運(yùn)動(dòng)和壓力阻力，并將其連接到傳統(tǒng)的水下機(jī)器人進(jìn)行支撐和拍攝測(cè)試圖像。
圖|在壓力測(cè)試室和深湖中進(jìn)行游泳實(shí)驗(yàn)
總結(jié)與展望
先前已經(jīng)進(jìn)行了幾次嘗試，以開(kāi)發(fā)用于水下應(yīng)用的軟機(jī)器人，因?yàn)闄C(jī)器人傳感器在這種環(huán)境下不能很好地工作，因此在該領(lǐng)域中，機(jī)器人很難與物體進(jìn)行精細(xì)的交互。當(dāng)收集和處理供海洋生物學(xué)家研究的精細(xì)海洋生物時(shí)，軟機(jī)器人抓手比剛性抓手設(shè)備具有明顯的優(yōu)勢(shì)。受生物啟發(fā)的軟機(jī)器人魚(yú)可以在其他動(dòng)物中游動(dòng)而不會(huì)困擾他們，因此可以進(jìn)行近距離研究。該研究現(xiàn)在突破了可以實(shí)現(xiàn)的范圍：用嵌入軟材料中的分布式電子設(shè)備代替電子部件的剛性保護(hù)罩，為新一代深海勘探者鋪平了道路。
不足之處:
但是，在使用這種類(lèi)型的機(jī)器人進(jìn)入海洋之前，還有許多工作要做。該機(jī)器比以前報(bào)道的水下機(jī)器人要慢，并且不能承受很大的干擾，因?yàn)樗苋菀妆凰码娏鳑_走。還需要針對(duì)實(shí)際應(yīng)用優(yōu)化其運(yùn)動(dòng)能力。但是，該研究的方法為后期的彈性和可靠的深海勘探者奠定了基礎(chǔ)。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，人們可以預(yù)測(cè)海洋生物學(xué)的研究途徑，軟機(jī)器人可以安全地在珊瑚礁或水下洞穴中航行，以收集精致的標(biāo)本而不損壞它們。大量的水下軟機(jī)器人能夠在海床上爬行，將自己錨定在特定的結(jié)構(gòu)上或在特定的區(qū)域游動(dòng)，這可能有助于開(kāi)發(fā)各種其他應(yīng)用程序的技術(shù)。這些可能包括監(jiān)測(cè)海洋，清理和防止海洋污染或保護(hù)海洋生物多樣性。從根本上講，它們可以幫助研究人員探索廣闊的海洋深處。
參考文獻(xiàn)：
