在海洋深深深處游泳的軟體機器人
2021年03月06日06:30

  來源:Nature Portfolio  

  一個以魚為原型的自供能機器人憑藉其柔軟的軀體和離散排布的電路,成功克服了世界上最深海溝底部的極端壓力。該機器人今後或能用於勘探神秘的未知海域。

  浙江大學和之江實驗室的李國瑞、李鐵風等人(下稱李國瑞等人)在《自然》報告了一個勇闖未知海域的軟體機器人。在作者的精彩演示中,他們的機器人可以在海洋的最深處——馬里亞納海溝作業。傳統的水下裝置使用金屬材質的防水外殼來對抗深海的高壓環境——為了適應更大的深度,這些外殼的厚度和尺寸也必須逐級遞增。而李國瑞等人的機器人將單薄的電子元器件離散分佈,並嵌入柔軟的矽橡膠中,這一設計擺脫了對耐壓外殼的需求。

  軟體機器人領域主要以活體生物為原型,利用軟體材料製作機器人,常使用矽橡膠這類聚合物,以及可高度變形的結構,如編織線和織物。在與人類交互方面,軟體機器人本質上比傳統的剛性機器人更安全,其柔韌性也是各種性能的加分項——比如在操縱物體時更靈巧,能進入狹小空間,能在崎嶇表面爬行。魷魚和章魚這類海洋生物是軟體機器人研究的靈感來源之一,而軟體機器人反過來也為機器人探索海洋提供了新途徑。李國瑞等人的研究正是這方面的一個有力展示。

  作者的機器人有著和魚差不多的身體以及兩個會撲動的側鰭(圖1)。作者採用了一種非常成熟的撲翼機製。這對鰭與機器人軀體的“肌肉”相連,使用了一種能將電能轉化為機械功的柔性材料——當機器人電池發出的電流經過肌肉時,這些肌肉便會收縮。作者用微小的固體結構將收縮的肌肉與鰭進行機械連接,實現撲翼的動作。

圖1 | 深海機器人設計。李國瑞等人開發了一種用柔性材料製作的機器人,該機器人可以承受深海下的極端壓強。這個機器人外形類似魚,有一個彈性框架,框架兩側有兩個很薄的可撲動側鰭;側鰭的前緣使用了一種較硬的材質。框架上的“肌肉”由一種能將電能轉換為機械功的材料製成,附著在兩個鰭上(附著結構未顯示)。當來自機器人電池的電流抵達肌肉時,這些肌肉會發生收縮。機器人的電子元器件和電池被嵌入中央的矽橡膠軀體內;它們在矽橡膠中離散排布,這樣能保證它們在高壓強下不會被破壞。
圖1 | 深海機器人設計。李國瑞等人開發了一種用柔性材料製作的機器人,該機器人可以承受深海下的極端壓強。這個機器人外形類似魚,有一個彈性框架,框架兩側有兩個很薄的可撲動側鰭;側鰭的前緣使用了一種較硬的材質。框架上的“肌肉”由一種能將電能轉換為機械功的材料製成,附著在兩個鰭上(附著結構未顯示)。當來自機器人電池的電流抵達肌肉時,這些肌肉會發生收縮。機器人的電子元器件和電池被嵌入中央的矽橡膠軀體內;它們在矽橡膠中離散排布,這樣能保證它們在高壓強下不會被破壞。

  在這項研究中,李國瑞等人面臨的一個挑戰是如何讓這個機器人的電子元器件能承受很高的壓強。受到深海獅子魚(Pseudoliparis swirei)頭骨骨骼的啟發,作者沒有像傳統電子裝置那樣,將所有電子元器件都集中在一起,而是將這些元器件分散排布。實驗室測試和模擬顯示,這種分佈方式能減少元器件各接口在高壓強下承受的壓力。離散的元器件再被嵌入矽橡膠中,整合到機器人上。這種方式比其他保護深海裝置元器件的方式更為實際,經濟成本也更低。

  李國瑞等人先在實驗室測試了這個機器人的游泳能力。他們在一個加壓的水箱中將機器人繫在一個杆上,機器人會繞著這個杆游泳。隨後,研究人員先在湖面下70米深處進行測試,這個機器人能以每秒3.16釐米的速度自由遊動;之後研究人員挑戰了中國南海海面下3200米的深度,機器人的最大遊動速度為每秒5.19釐米(相當於0.45倍身長每秒),這與其他軟體機器人的性能相當。最後,研究人員在馬里亞納海溝中測試了這個機器人的撲翼和耐壓能力,他們將機器人繫在一個傳統的水下機器人上,這個傳統機器人還拍下了測試過程。

  之前的很多研究都嚐試開發水下軟體機器人,水下機器人的一大挑戰在於它很難和物體進行精確交互,這是因為機器人的傳感器難以在水下正常運作。在採集和抓取脆弱的海洋生物以供海洋生物學家研究時,軟體機器抓手比剛性抓取裝置多了不少優勢。仿生軟體機器魚還能在不打擾的情況下和其他動物一起遊動,從而實現近距離研究。現在,李國瑞等人的研究推動了軟體機器人的能力邊界——他們將離散分佈的電子元器件嵌入柔性材料,從而取代了剛性保護外殼,為新一代的深海探測器鋪平了道路。

  不過,在將這類機器人放入大海前,還有很多工作要做。李國瑞等人的機器人比之前報導的水下機器人要慢,無法承受太大的擾動,比如,它很容易被水下的暗流捲走。它的運動能力也需要針對實際應用進行優化。不過,李國瑞等人的方法為堅實牢固的深海探測器奠定了基礎。

  放眼未來,我們或將看到軟體機器人在珊瑚礁或水下洞穴中安全穿行,在不造成破壞的情況下採集脆弱的樣本,為海洋生物學研究開闢新的領域。成群結隊的水下軟體機器人能夠在海底爬行,錨定在各種結構上,或是遊過特定的區域,這將促進其他應用場景的技術開發,包括海洋監測,海洋汙染的清理和預防,或是海洋生物多樣性的保護等。更重要的是,它們還能幫助研究人員深入有待探索的大片深海區域。

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