浙大機器魚登Nature封面！22cm身段，探索地球最深海溝
相當于指尖承壓1噸重量
蕭簫 發(fā)自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI
讓指尖承受1噸重量，這樣的壓力能Hold住嗎？
來自浙大的機器魚，就確實做到了——不僅承受住了10000米深海的巨大壓強，還在其中自如游動了45分鐘。
而且只有這么?。ㄉ黹L22厘米，展翅28厘米）：
在以往，科學家們要是想探索萬米以下的海溝，所采用的裝置通常得這么大：
這些裝置材料不僅得有足夠的強度（如鈦合金）、厚度，或是自帶巨大的壓力補償系統(tǒng)，才能承受住萬米深海的重壓。
浙大的這條機器魚，打破了傳統(tǒng)深海探測裝置“硬剛”的方法，首次實現了在萬米深海中，自能源軟體機器人自主游動的能力。
這項研究，現在登上了Nature封面。
為什么這么能抗壓？
傳統(tǒng)的水下航行器，通常需要用高強度金屬材料來制成外殼，對航行器進行保護。
隨著水域越來越深，外殼的厚度和尺寸也需要得到相應提升，機器就會越來越大。
然而，在海洋最深處的馬里亞納海溝，卻仍然生存著數百種生物，其中就包括一種名為鈍口擬獅子魚（Pseudoliparis swirei）的生物，體型并不大。
這種獅子魚沒有堅硬的外殼，卻還能在水中自如游動。
從圖中可以看見，它的頭部非常大，但能承受住深海的重壓。
這是怎么做到的？
研究人員對它的身體結構進行了分析，發(fā)現這種魚的骨骼，細碎地分布在柔軟的凝膠狀身體中。
這也解釋了為什么傳統(tǒng)電路結構在深海中極易出現故障——
通常，運行機械系統(tǒng)的電路結構，會被密集地封裝在一整塊印刷電路板（PCB）上，一旦承受的壓力增大，電路板接口就容易出問題。
例如，下圖是一塊完整的電路板。如果施壓過大，電路板和電路元件之間的接口就非常容易損壞。
但如果將電路板，像魚的骨骼那樣“拆開打碎”，分裝在幾個更小的電路板中呢？
事實證明，這樣做所帶來的效果非常顯著，將壓力分散到了更小的電路板中。
但這樣還不夠，因為電路板上的元件分布太密集，不足以承受深海中的壓力。
研究人員又重新設計了電路，盡可能將元件分散，將相鄰元件之間的距離增加了6倍，變成2.4mm（圖中d的大?。?。
這樣，做出來的電路結構，在硅樹脂（電絕緣、耐溫、防水）的包裹下，能承受巨大的壓力。
除此之外，還得讓魚在高壓下前行。
為了達成這一目的，研究人員想到了用電勢差的方法：利用海水作為離子導電負極，用機器魚自帶能源在“翅膀”內外側產生電勢差。
這樣，人工“翅膀”（高分子薄膜）就能發(fā)生形變，使得翅膀上下拍動，推動機器魚前行。
這項研究由浙大的李鐵風團隊完成，共同一作為浙大研究員李國瑞、博士研究生陳祥平和周方浩。
在這個機器魚實現之前，還沒有科學家在深海實現過這種自供能驅動的軟體機器人。
李國瑞表示：“這種軟體機器人無需耐壓外殼，便能承受萬米級深海靜水壓力，大幅降低了深海探測的難度和成本?！?/p>
曾發(fā)明最快仿生軟體機器魚
事實上，早在2017年，李鐵風團隊就曾經制造過當時世界最快的仿生軟體機器魚，研究登上Science子刊。
這種機器魚參考了蝠鲼的設計，全長9.3厘米，可以以每秒6厘米的速度，游上3小時。
同樣，它也采用了“電子肌肉”的設計：上下兩層是透明高彈體薄膜，中間是導電材料。
隨著“電子肌肉”通電，這條軟體機器魚就能在紅外線的操控下，實現前進等各種動作。
而且，這種魚類的主要結構，還能通過3D打印技術直接成型。
“科研就像升級打怪一樣”
這項研究的共同作者有三位，分別是浙大之江實驗室的科研人員李國瑞、博士研究生陳祥平、周方浩，通訊作者為李鐵風。
△主要作者李國瑞，陳祥平，周方浩，梁藝鳴與李鐵風，圖源浙江大學
發(fā)明這個深海軟體機器魚的想法，源于李鐵風和李國瑞在機器人頂會ICRA上的一次討論。
這在當時，提出這樣的設想，會面臨非常大的壓力，因為此前，還沒有人成功做出過這樣的軟體機器人。
過程中，李國瑞失敗過很多次，自述“每半個月就會做一次機器壓力測試，做前都是信心滿滿。然而，幾乎每次都會出現各種各樣的問題?！?/p>
△圖源之江實驗室
而且，在馬里亞納海溝實施最終海試時，團隊還在南海遇到了超強臺風。
但最后，團隊還是克服困難，成功完成了深海測試。
李國瑞形容，科研過程就像是“升級打怪”，遇到各種bug，都是非常正常的事情。
他認為，每解決一個bug，都可以看成是向成功前進一步，如果不放棄，就能實現最終的目標。
論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-03153-z
參考鏈接：
[1]https://mp.weixin.qq.com/s/kDfg81sNLt-izjP6xZlmNw
[2]https://www.nature.com/articles/d41586-021-00489-y
[3]https://advances.sciencemag.org/content/3/4/e1602045
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