Nature封面:浙大软体机器人成功挑战马里亚纳海沟,水下10900米运动自如

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· 3月4日

在万米深的海底,这个机器人拍打起来了。

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Nature封面:浙大软体机器人成功挑战马里亚纳海沟,水下10900米运动自如

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图|在 10900 米深的马里亚纳海沟中,软体机器人的双鳍拍打动作(来源:Nature)

在 10900 米深的马里亚纳海沟中,软体机器人的双鳍拍打动作,图片来源@Nature

文丨学术头条

比陆地更辽阔的是海洋,海水覆盖了地球约 71% 的表面积。不过,海洋学者认为人类只探索了其中的 5% 而已。人们经常对较浅的海洋进行勘探,但由于极端的静水压力,深海区域基本仍是一片神秘领域。

目前,设计精良的水下机器人在深海任务中具有出色的机动性和功能性,勘探深度能达到 3000-11000 米,比如我国自主研发的 “蛟龙号”“奋斗者号” 等载人潜水器,在深海探矿、海底高精度地形测量、可疑物探测与捕获、深海环境与生物考察等任务中都扮演着关键角色。

但是,这些深海潜水器通常需要特制的压力容器或压力补偿系统来保护内部机电系统,考虑到海底极端条件下结构破坏的风险,深海勘探仍然具有危险性和挑战性。然而,大自然是神奇的,没有耐重压系统的深海生物却可以在极深的海域繁衍生息,灵活游走。

受深海生物特性的启发,来自浙江大学、之江实验室的科研团队及其合作者开发了一种能用于深海探测的无线自供能软体机器人,他们通过在马里亚纳海沟最深 10900 米处和南海最深 3224 米处进行实际测试,验证了这种机器人具有极好的耐压和游泳性能。

相关研究论文以 “Self-powered soft robot in the Mariana Trench”(马里亚纳海沟里的自供能软体机器人)为题,于 3 月 4 日发表在《自然》(Nature)杂志上。

(来源:Nature)

(来源:Nature)

灵感来源于一种深海鱼

论文里介绍的这种深海机器人,是一种典型的仿生装备与系统。目前,生活在中等海洋深度(约 1000 米)的软体生物,如章鱼和水母等已被广泛研究,它们的适应能力启发了很多水下软体机器人的设计,为深海探险提供了很多有前途的方法。

这类软体机器人的性能很大程度上取决于软启动器,包括介电弹性体(dielectric elastomers,DEs)、水凝胶和射流装置等,近年来的许多研究表明,具有扑翼、波动、喷射等推进方式的柔性机器人具有良好的游泳性能。

尽管如此,这类机器人的动力和控制电子系统仍然需要笨重而坚硬的容器来抵御深海极端压力,一种没有刚性容器、能在极端深海游泳的、有压力弹性的软机器人还没有被开发出来。

浙江大学李铁风、李国瑞及其合作者设计开发的这款软体机器人,灵感则是来自钝口拟狮子鱼(Pseudoliparis swirei。早在 2014 年,科学家就在马里亚纳海沟中约 7000 米处深度捕获到了这种鱼类,据了解,钝口拟狮子鱼还创下了一项人类拍到活体鱼类的最深纪录 ——8178 米。

图|钝口拟狮子鱼(来源:Mackenzie E. Gerringer)

图|钝口拟狮子鱼(来源:Mackenzie E. Gerringer)

马里亚纳海沟深处的压力有多大?Nature 文章中有一个形象的描述,类似于把一整座埃菲尔铁塔的重量全都压在人类大脚趾上。在那种寒冷、黑暗和极压的环境下,高压能压碎人的骨头,压扁钢铁潜水设备,而这些鱼却表现出了奇好的生存性和移动性。

所谓“适者生存”,这种鱼在身体特征上包括一个分布的头骨和能拍打的胸鳍,由软骨和细胞膜组成的骨架等,这指导了李铁风、李国瑞团队及其合作者进行一种创新的深海软体机器人设计。

图|机器人设计与深海试验(来源:Nature)

图|机器人设计与深海试验(来源:Nature)

据论文描述,研究人员已对这种软体机器人进行了多方位测试报告。它被安装在深海着陆器上,在马里亚纳海沟 10900 米深度的现场测试中成功启动,这个软机器人内部自带容量为 2500mAh 的锂离子电池和高压放大器用来自动供电,团队使用受保护的摄像机和深海着陆器上的 LED 灯记录了试验过程,在这次测试中,机器人没有从着陆器中释放出来,在没有压力容器的情况下,扑鳍驱动保持了 45 分钟

在中国南海的现场试验中,软体机器人由遥控潜水器(ROV)携带到 3224 米的深度。在 8kV 交流电压和 1Hz 的驱动下,该机器人以 5.19cm 每秒(即每秒 0.45 体长)的速度拍打双鳍运动,成功实现自由游动

图|软体机器人在 3224 米深海游动(来源:Nature)

图|软体机器人在 3224 米深海游动(来源:Nature)

独特的电子和机械设计

据了解,这种机器人设计成功的关键之一是压力弹性电子元件。传统的水下航行器需要金属材料制成的水密外壳,以承受深海高压,这些外壳的厚度和尺寸必须增加,以适应更大的深度。但在研究团队此次设计的机器人中,精密的电子元件被嵌入并分布在柔软的硅树脂基体中,这种设计消除了对耐压外壳的需求。

研究人员通过测试发现,如果电子元件密集地封装在一块印刷电路板(PCB)上,压力测试表明在它们的接口处容易发生故障,因此需要一种方法来保护机器人的电子元件免受高压影响,启发则是来自钝口拟狮子鱼分布的头骨

图|集中和分散电子设备的压力试验(来源:Nature)

图|集中和分散电子设备的压力试验(来源:Nature)

为了提高压力恢复力,他们采用了分散式设计来降低剪切应力。在这种设计中,元件与几块较小的 PCB 进行线连接或分离,这里的 “分离” 是指去除电子元件之间的直接刚性接触。

实验室试验和模拟表明,这种布置降低了受压部件之间接口处的应力,然后将分布式电子器件嵌入硅树脂中,以便并入机器人,该方法比其他保护深海设备电子设备的方法更实用,也更便宜。

图|聚合物封装电子器件的耐压性能(来源:Nature)

图|聚合物封装电子器件的耐压性能(来源:Nature)

对于相同的外加压力(110MPa),分散电子设备界面处的平均剪应力低于集中电子设备(约 60MPa),研究人员进行了一系列的压力室实验(110MPa),以确认这种分散电子具有更高的压力弹性。此外,由于从 PCB 上拆下所有组件在技术上是困难的,因为它们的数量很大,为了减少这些元件之间的应力,研究人员在设计时还增加了相邻电子元件之间的距离,当相邻部件之间的距离从 0.4 mm 增加到 2.4mm 时,测试分析显示,最大剪应力能减少 17%

设计好了电子部分,另一方面就是机械驱动部分,这里的一个关键应用是介电弹性体(DE),一种加上电压即可出现形变的电激活聚合物,这种材料能将电能转化为机械功 —— 当机器人电池的电流作用于肌肉时,肌肉就会收缩,微小的固体结构通过机械方式将收缩肌与鳍相连,使其拍打运动。

最终,他们把机器人设计成了鱼一样的身体形状,有两个拍打的侧鳍。该机器人长 22 厘米(体长 11.5 厘米,尾长 10.5 厘米),翼展有 28 厘米,电力和控制电子设备包括锂离子电池、高压放大器、红外接收器、放电电阻器和 MCU。

它同时具有以下特点:(1)位于支撑架和拍打鳍接合处的 DE “肌肉”;(2)由较硬的前缘和弹性框架支撑的薄硅胶拍打鳍;(3)嵌入其软体内的分散电子。弹性框架粘在预拉伸的 DE 肌肉上,以提供支撑,并将 DE 膜的平面内驱动转换为鳍拍打运动,当施加交流电压时,周期性变形的 DE 肌肉产生两个鳍的拍打运动以推进游动。

图|软机器人的设计与制造(来源:Nature)

图|软机器人的设计与制造(来源:Nature)

此外,DE 材料也经过了精心设计,可在深海低温高压下保持其电压感应驱动。研究人员在高压下测量了由典型 DE 材料(VHB)制成的圆形致动器的电压感应区域应变,结果发现,当实验条件从(0MPa,25°C)变为(110 MPa,5°C)时,电压引起的区域应变从 19.1% 下降到了 2.4%,不足以推动机器人。

因此,他们采用了一种新的三嵌段共聚物:SBAS。在相同的实验条件下,SBAS 的电压感应面积应变从 12.5% 下降到 7.0%,由于拍动双鳍的设计已得到优化,这种材料的表现对于软机器人深海自由游泳来说已经是足够高的应变。

图|VHB 和 SBAS 的驱动性能实验(来源:Nature)

图|VHB 和 SBAS 的驱动性能实验(来源:Nature)

研究人员在额外的动态力学分析(DMA)中表明,VHB 和 SBA 的不同性能源自其不同的玻璃化转变温度(Tg),分别为 0.3°C 和−17.2°C,这一结果突出了由于微相分离,较低的 Tg 对提高三嵌段共聚物 DE 的机电性能的影响。

开启深海探险新方式

除了深海实地测试外,研究团队还进行了一系列的压力舱和深湖实验,进一步验证了该软体机器人的游泳性能。

他们在实验室中观察记录了该机器人在 110 MPa 的静水压力中,在不同电压(7 kV、8 kV、9 kV,2 Hz)下测试游泳性能。当驱动电压为 7 kV,频率为 1Hz 时,在 0MPa 和 110MPa 的压力下,机器人能以 3.29 cm 每秒和 2.76cm 每秒向前游动。此外,还在一个深湖中用遥控潜水器将其带到水深处,对软机器人的自由游动进行了现场测试,该机器人在 8 米深处能以 3.89cm 每秒的速度游泳,在 70 米深处能以 3.16cm 每秒的速度游泳,证实了它对野外探险的鲁棒性。

图|软体机器人在测试在 110 MPa 的静水压力中测试(来源:Nature)

图|软体机器人在测试在 110 MPa 的静水压力中测试(来源:Nature)

图|软体机器人在湖中测试(来源:Nature)

图|软体机器人在湖中测试(来源:Nature)

研究人员表示,此次取得的实验成功有可能扩展到各种其他软设备上,未来如果集成额外的功能单元或重新排列电路则有望产生多种附加功能,例如深海中的传感和通信。

具有传感、驱动、电源和控制系统的软设备可以完全集成,以监测和调节机械滥用条件下的复杂任务(不仅是高压,还有其他困难的机械条件,如振动或冲击)。研究团队的未来工作将集中在开发新的材料和结构,以增强软机器人和设备的智能性、多功能性、机动性和效率。

此前人们曾多次尝试开发应用于水下的各类软体机器人,但由于机器人传感器在深海环境下工作不良,因此机器人与物体的精细交互是一个具有挑战性的领域。另外,软机器人抓手要比刚性抓取装置具有很大的优势,且受生物启发的软体机器鱼可以在其他动物之间游动,而无需对它们造成干扰,因此可以进行近距离研究观察。

新加坡国立大学教授 Cecilia Laschi 在评论文章中表示研究团队如今已经突破了可以达到的极限:用嵌入软材料中的分布式电子器件取代电子元件的刚性保护外壳,为新一代深海探险家铺平了道路。

然而,在海洋中布置这种设计的机器人之前,还有很多工作要做。因为这项研究开发的机器人比之前报道的水下机器人移动要慢,而且不能承受太多环境的干扰,比如它很容易被水下暗流冲走,其运动能力也需要针对实际应用进行优化。

从长远展望来看,人们可以预测海洋生物学研究的发展方向,即软体机器人在珊瑚礁或水下洞穴中安全航行,在不损坏珊瑚礁或洞穴的情况下采集精致的标本,成群的水下软机器人能够在海床上爬行,将自己固定在特定的结构上或在特定的区域游走探索。

这将有助于各种其他应用技术的发展,进一步为推动海洋监测、清理和防治海洋污染、保护海洋生物多样性提供更多创新方案,更重要的是,它们可以帮助科学家探索海洋深处的大片未知地带

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