海面下10900米，馬里亞納海溝，地球海洋的最深處。
一條A4紙大小、形狀奇異的中國“魚”，在這漆黑一片的海底，自如地拍動起了“翅膀”。
北京時間3月4日，這條仿生軟體機器魚登上了Nature的封面。這篇題為“Self-powered soft robot inthe Mariana Trench”的論文，是浙江大學(xué)航空航天學(xué)院交叉力學(xué)中心李鐵風(fēng)教授團隊與之江實驗室合作的最新成果。
涉足馬里亞納海溝這樣的極深海底，傳統(tǒng)的人造機器為了抵抗強大的水壓，必須配備耐壓的“盔甲”，但深海生物，卻僅憑自身的奇特構(gòu)造，能在水下萬米行動自如?！吧亍苯o“機器之力”以怎樣的啟發(fā)？這條智能“怪魚”，又將給人類帶來怎樣的探索新可能？
我們對2019年“科學(xué)探索獎”最年輕的獲獎人，今年僅34歲的李鐵風(fēng)教授，進行了獨家專訪。
給“獅子魚”標本作CT
人類對深海所知甚少，特別是海平面6000米以下的“超深淵帶”幾乎一無所知，阻礙探索的最大障礙，就是海底強大的壓力?！霸?0900米的海底，靜水壓高約110兆帕，相當(dāng)于100個大氣壓。”李鐵風(fēng)形象地比喻說，這相當(dāng)于一噸重的小汽車全壓在指尖上。
傳統(tǒng)深海探測設(shè)備，甚至需要鈦合金這樣的高強度金屬外殼，或者壓力補償系統(tǒng)來保護，造價昂貴，行動也不夠靈活。“但即使在馬里亞納海溝深處，依然有數(shù)百個物種，它們應(yīng)對極高靜水壓的方式，是不是可以給我們啟示？”
鈍口擬獅子魚（Pseudoliparis swirei），成為李鐵風(fēng)團隊的靈感來源，這種巴掌大、半透明的柔軟魚類，甚至能在海面下7000多米生活?！拔覀儷@得了獅子魚的標本，給它做了CT，發(fā)現(xiàn)這種魚的骨骼，細碎地分布在凝膠狀柔軟的身體中，這個身體構(gòu)造給了我們很大的啟發(fā)?！崩铊F風(fēng)表示。
2018年5月，浙江大學(xué)交叉力學(xué)中心李鐵風(fēng)教授團隊和之江實驗室智能機器人研究中心正式啟動了以獅子魚為原型的仿生深海軟體機器人研究。
中國“機器魚”長22厘米，翼展寬度28厘米，就像獅子魚一樣，控制電路、電池等硬質(zhì)器件不像傳統(tǒng)探測設(shè)備一樣集成封裝，而是將它們以軟凝膠隔開?！巴ㄟ^設(shè)計調(diào)節(jié)器件和軟體的材料與結(jié)構(gòu)，優(yōu)化在高壓環(huán)境下機器人體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，這樣’機器魚'不再需要外殼保護，即可承受萬米級別的深海靜水壓力。對比傳統(tǒng)的'鎧甲式’抗高壓深潛裝備，這條設(shè)計路線，有可能大幅度降低深海探測的難度和成本?！?/p>
海水做電極的“人工肌肉”
中國機器魚有兩個能拍動的側(cè)鰭，就像是一對翅膀，機器魚借助它們游動，而驅(qū)動這對兒“翅膀”的，是機器魚身體上的“人工肌肉”。
中國“機器魚”和為它提供靈感的“獅子魚”，長得頗有幾分相似。（供圖：李鐵風(fēng)）
“在2500毫安鋰電池的驅(qū)動下，我們的機器魚在馬里亞納海溝10900米的海底，撲翼運動長達45分鐘。電驅(qū)動的軟體人工肌肉是團隊研究工作的另一個重要突破?！崩铊F風(fēng)指著機器魚“魚翅根部”的兩塊黑色材料說。
“人工肌肉”使用了介電彈性體。所謂介電彈性，就是指材料能在電壓的刺激下產(chǎn)生形變。當(dāng)機器魚硅膠體中的電子器件產(chǎn)生電信號時，介電彈性的高分子薄膜就會舒張與收縮，產(chǎn)生像肌肉一樣的張弛變形，“人工肌肉”正得名于此。
用在機器魚上的“人工肌肉”，也有自己的特別之處。一方面，它解決了高分子材料在高壓和低溫時電驅(qū)動能力衰減的問題。即使在馬里亞納海溝的低溫（0~4℃）、高壓環(huán)境（110 MPa）下依舊能正常工作。另一方面，李鐵風(fēng)團隊巧妙地利用海水，作為“人工肌肉”的離子導(dǎo)電負極。
“人工肌肉是電驅(qū)動，因此就需要正極和負極，一般的做法是在正面和反面各涂一層。內(nèi)層是正極，外層是負極，你可以想象成一個三明治。但是人工肌肉本身是軟的，電極如果太硬，就會限制人工肌肉的動作。海水具有弱導(dǎo)電性，可以非常好的貼敷在人工肌肉外層，用它來做負極，貼得牢，也沒束縛。”
“剛?cè)嵯酀钡奈磥?/strong>
新加坡國立大學(xué)的機器人學(xué)家Cecilia Laschi和英國林肯大學(xué)的Marcello Calisti對中國“機器魚”的評價是：“推動了仿生軟體機器人所能實現(xiàn)的極限?！?/p>
在Nature刊發(fā)的論文里，作者則如此總結(jié)：“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?！?/p>
機器魚在馬里亞納海溝和3224米的南海測試實拍截圖。（供圖：李鐵風(fēng)）
“中國機器魚”未來到底會怎么用？李鐵風(fēng)介紹說：“我們已經(jīng)在實驗環(huán)境下證明了機器人在深海、極地、高沖擊性等惡劣及特種環(huán)境下，具有較好的發(fā)展應(yīng)用前景?！背颂魬?zhàn)打卡萬米海底的馬里亞納海溝，團隊還在南海海域進行了3224米的機器魚深海游動試驗，以實地的海洋試驗來持續(xù)驗證整個系統(tǒng)和技術(shù)的高可靠性。
“當(dāng)然首先希望技術(shù)能夠從實驗室更快走向使用，通過對其能源、驅(qū)動、感知一體化系統(tǒng)進一步優(yōu)化，讓柔性智能設(shè)備直接服務(wù)于深海探測作業(yè)、環(huán)境的觀察和深海生物的科考，并實現(xiàn)深海通訊、深海檢測等功能。一方面是降低成本，另外一方面軟體機器人也有更好的環(huán)境適應(yīng)能力，比如可以更容易、安全地通過狹窄區(qū)域?！?/p>
而從廣義的應(yīng)用來看，“機器魚”代表著“剛?cè)嵯酀钡脑O(shè)計思路和策略，它還有望帶來更多創(chuàng)新發(fā)展。“比如智能可穿戴設(shè)備，人體需要貼合的好，也要應(yīng)對運動帶來的沖擊，'剛?cè)嵯酀瑯幽鼙Ｗo設(shè)備中脆弱的芯片。再比如生物醫(yī)療設(shè)備，它未來應(yīng)用的環(huán)境是人體內(nèi)部，直接作用于細胞，但硅基的電子器件對生物體并不友好，采取類似'機器魚’的融合包裹方法，和人體的接觸，就可以達到更高的親和力?！?/p>
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