人类首次实现软体机器人万米深海操控和深海自主游泳实验，这是机器人领域的重大进展。3月4日，最新一期《自然》杂志介绍了浙江大学之江实验室、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、大连海事大学等单位的团队团队以封面文章的形式。与人合着了题为《Self-powered soft robot in the Mariana Trench》的新研究论文。即使在地球海洋最深处的马里亚纳海沟“挑战者深渊”10900米深处，这款机器人的鳍也能正常启动。约1.03亿帕斯卡。“这相当于一头大象站在你的拇指上，”纽约州立大学杰纳西奥分校的深海生理学家和生态学家MackenzieGerringer说。深海的巨大压力给工程带来了严峻的挑战，传统的深海机器人或载人潜水器使用坚固的金属框架或压力补偿系统来保持稳定性，但这些机器又大又重，故障风险仍然很高。浙江大学提出的软体机器人新方法很大程度上解决了这个问题。深海中出现的极端条件意味着地球表面的大部分地区仍未开发。李铁峰等人设计的机器人受到深海动物狮子鱼的启发，通过将电子器件集成到硅树脂基体中，开发出一种不受束缚的软体机器人，保护动力、控制和驱动系统不受深海压力的影响，这种自供电机器人无需任何刚性集装箱，可正常在马里亚纳海沟10900米水深起航，并可在3224米水深作业，在南海自由作业。以下动图展示了软体机器人在压水舱、深湖、南海和马里亚纳海沟四种测试场景下的游动：机器人在压水舱内绕圈游动。机器人在70米深的湖中游泳。机器人在3224米深的南海自由畅游。机器人在10,900米深的马里亚纳海沟中拍打侧鳍。西太平洋的马里亚纳海沟是已知最深的海洋，水压高，温度低，完全黑暗。深海操纵和深海自主游泳实验。只有柔软，才能承受巨大的压力。论文称，浙江大学发明的软体机器人可以探索未开发的海洋深处。更值得注意的是，作者说该机器人可以在地球上已知最深的海沟马里亚纳海沟中工作。传统的水下机器人需要由金属材料制成的防水外壳来抵抗深海高压，而这些防水外壳的厚度和尺寸必须随着海水深度的增加而增加。相比之下，浙大软体机器人采用的精密超软硅胶电子元器件，是嵌入分布在软硅胶中的。这种设计不需要耐压外壳。下图展示了软体机器人的整体设计和制作流程。具体设计方面，这条仿生软体机器鱼长22cm（长11.5cm，尾长10.5cm），翼展28cm，长宽约一张A4纸，有两个拍动的侧鳍，作为如图所示。“我们研究的另一个突破在于设计了一种电驱动智能软材料，可以在高压和低温环境下保持良好的电驱动性能。”李铁峰教授说。作者使用一种完善的机制来驱动侧鳍的拍打，侧鳍附着在机器人躯干的“肌肉”上。这些肌肉由能够将电能转化为力学的软材料制成，当机器人的电池为肌肉供电时，转化就开始了。微小的固体结构机械地将收缩的肌肉连接到侧鳍，使它们拍打。软体机器人的躯干设计。鳍扇动。李国瑞和他的合作者面临的挑战之一是为软体机器人的电子元件寻找承受高压的方法。他们从钝口狮子鱼(Pseudoliparisswirei)的头骨中获得灵感——这种鱼的头骨并非完全由骨质构成，具有额外的延展性以平衡压力。新机器人将电子元件分开并将它们包裹在软硅胶中，而不是像传统那样将它们堆叠起来。钝口狮子鱼（Pseudoliparisswirei）生活在西太平洋马里亚纳海沟6200-8100米的深海中，2014年11月才被科学家发现。“抗高压深潜装备，我们以全新的技术路线研制出仿生深海软体机器人，力求大幅降低深海探索难度和成本。”李国瑞说。实验测试和模拟表明，这种布置降低了水压下电子元件之间界面处的压力。然后，将分离出来的电子元件嵌入软硅胶中，并集成到机器人中。这种方法比其他保护深海设备电子元件的方法更实用、成本更低。下图为集中式和分散式电子元器件布置的压力测试情况：李国瑞等人首先在实验室的加压水箱中测试了软体机器人的游泳能力，其中机器人连接在一根杆子上游来游去极点。随后在70米深的湖中进行测试，机器人以每秒3.16厘米的速度自由游动。随后在南海约3200米水深进行测试，机器人速度达到5.19厘米/秒（约相当于每秒游泳0.45个机器人躯干长度），与其他软体机器人的性能一致。最后，机器人在马里亚纳海沟中进行了侧鳍拍打和压力测试，并在其上安装了支撑水下机器人并拍摄了测试图像。下图（左）是机器人在压水舱和深湖中的测试；图（右）是机器人在深海中的测试。2019年12月，软体机器人坐在马里亚纳海沟底部。海上测试视频记录显示，该机器人在马里亚纳海沟10900米深度实现了稳定的扑翼驱动。2020年8月27日晚，软体机器人在南海3224米水深成功实现自主游泳。“凌晨三点，我们在主控室里一分钟一秒地看着，等待机器人在海底启动。当我们看到机器人顺利完成预定的游泳时，我们终于松了口气。”多年的艰苦探索终于实现了一个里程碑，”李国瑞说。深海软体机器人的意义和潜在应用以前曾多次尝试开发用于水下应用的软体机器人，但机器人与物体之间的精确交互在这一领域是一个挑战，因为机器人传感器在水下环境中不能很好地工作。挑战。在收集和处理脆弱的海洋生物以供海洋生物学家研究时，软机器人抓手与刚性抓手设备相比具有明显的优势。仿生软体机器鱼可以与其他鱼一起游泳而不打扰它们，因此可以近距离研究它。现在，李国瑞及其同事的研究打破了可能的界限：用嵌入软材料的分布式电子设备取代电子元件的刚性保护外壳，为新一代深海探险者铺平了道路。当然，浙江大学等机构设计的机器人还有一些需要改进的地方。首先，它的游速有点慢，这意味着它经不起洋流的干扰。说到具体应用，人们还需要进一步加强它的运动能力。但显然，李国瑞等人的研究为可测试的深海探测机械奠定了基础。在不远的将来，我们或许会看到这类机器人为海洋生物研究带来的一条全新途径：利用软体机器人安全穿梭于珊瑚礁和海底洞穴之间。如果在海底部署大量软体机器人，可以开发出更多的生产力应用，包括海洋监测、有害物质清理、生物保护等。总而言之，能够在恶劣环境下工作的机器人为探索广阔的海洋深处提供了新的希望。未来课题组将继续研究深海软体智能装备的能量、驱动、感知一体化系统，提高仿生深海软体机器人的智能化程度，降低应用成本。联合研究团队为浙江大学博士、之江实验室智能机器人研究中心高级研究专家李国瑞，浙江大学博士生陈祥平、周方浩为论文共同第一作者，教授浙江大学李铁峰为该论文的通讯作者。在研究过程中，数值计算和大量压力环境模拟实验验证了方案的可行性。为进一步证实机器人在深海野外环境下的可靠性，研究团队在上海海洋大学、中国科学院深海研究所、大连海事大学、广东海洋地质调查局的联合支持下等海域进行了深海海试。李铁峰教授（中）和该研究的主要作者李国瑞、陈向平、周方浩和梁一鸣。论文通讯作者李铁峰，浙江大学教授、博士生导师。2012年8月加入浙江大学应用力学研究所，加入浙江大学交叉力学中心，负责浙江大学软体机器人与智能装备实验室。李铁峰教授主要研究方向包括软物质力学、智能材料结构设计、软体机器人、水下智能装备、医疗康复器械等，开展了智能软材料力学、智能结构、复合材料、软体机器人等方面的研究。一种控制机电不稳定性以实现最大电致变形的驱动理论。李铁峰教授在《Sciennce Advances》、《Advanced Materials》等期刊发表论文50余篇，论文被引用2000余次。曾获国家自然科学基金杰出青年基金、中国科协青年人才支持项目、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(MITTR35-China)等荣誉。
