国产软体机器人成功挑战水下10900米,无需耐压外壳遨游最深海沟!

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2021年3月4日,国际顶级期刊《自然》(Nature)以封面文章的形式刊发了由浙江大学、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、大连海事大学等团队联合完成的一项研究,题为“Self-powered soft robot in the Mariana Trench”。该研究团队率先实现了软体机器人的万米深海操控以及深海自主游动实验!(全文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-03153-z)

该研究率先提出了机电系统软硬共融的压力适应原理,成功研制了无需耐压外壳的仿生软体智能机器人,首次实现了在万米深海自带能源软体人工肌肉驱控和软体机器人深海自主游动。

海洋占地球表面的70%以上,但目前人类的探索仍局限在较浅的海洋深度,由于深海环境压强极高,在那里工作的机械系统一般需要刚性的身体和压力补偿系统,因此深海仍是未知区域。

由于极端的静水压力,深海区域人们基本很难探测。位于西太平洋的马里亚纳海沟是已知的海洋最深处,水压高、温度低、完全黑暗,被称为“地球第四极”。随着深潜技术的不断发展,人们发现茫茫深海并非一片死寂,在马里亚纳海沟6000—11000米之间的极高压深水区,仍有数百种物种生存,狮子鱼就是其中的典型代表。

生物学研究发现,狮子鱼的骨骼细碎地分布在凝胶状柔软的身体中,能承受近百兆帕的压力,相当1000个大气压强。研究团队从狮子鱼身体构造中获得灵感,设计了一款能进行深海勘探的自供能仿生软体智能机器鱼。这条鱼的身体特征包括分散式骨骼和摆动的胸鳍,这些特征指导了我们深海软体机器人的动力、控制和DE(介电弹性体)执行器的机械设计。

该仿生软体智能机器鱼有22厘米长(身长11.5厘米、尾长10.5厘米),翼展宽28厘米。该机器鱼被设计成一个鱼形的身体形状和两个拍动的侧鳍,拥有机载电源、操控力以及水下自推进的能力。机器鱼两翼与身体上的“肌肉”相连,它们由一种凝胶状软材料制成,可以将电能转化为机械功,当机器鱼电池的电流作用于肌肉时,肌肉就会舒张与收缩形变,由此带动两翼拍动驱动机器鱼。

2019年12月,仿生软体机器鱼在马里亚纳海沟10900米海深处,海试影像记录显示,该机器鱼实现了稳定扑翼驱动。在2020年8月27日深夜,该软体机器鱼在南海3224m海深处成功实现了自主游动。

在10900米的海底,静水压高约110兆帕,1100个大气压,相当于一吨重的小汽车全压在指尖上。在测试中,研究团队没有将仿生软体机器鱼从着陆器上释放,在没有压力容器的情况下,该机器鱼在2500毫安锂电池的驱动下,保持拍打45分钟。

仿生软体机器鱼是如何实现推进的呢?机器鱼依靠自身携带的小型能源控制系统及两翼中间椭圆形部位的介电弹性体人工肌肉。当硅胶体中的电子器件产生电信号时,介电弹性体会在该电压信号的刺激下产生像肌肉一样的变形模式,双翼会随着肌肉的伸缩进行扑翼运动,驱动机器鱼前进。

未来,研究团队将专注于开发软体轻质的材料和结构,让用于极端条件下的装置,具有更好的智能性、通用性、操纵性和效率。还包括仿生软体机器鱼的速度、承受较大扰动的能力,以及移动能力,这些都需要进一步优化以适应实际应用。

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