浙大機(jī)器魚登Nature封面！22cm身段，探索地球最深海溝

蕭簫 2021-03-04 12:54:52 來源：量子位

蕭簫 發(fā)自 凹非寺
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讓指尖承受1噸重量，這樣的壓力能Hold住嗎？

來自浙大的機(jī)器魚，就確實(shí)做到了——不僅承受住了10000米深海的巨大壓強(qiáng)，還在其中自如游動(dòng)了45分鐘。

而且只有這么小（身長(zhǎng)22厘米，展翅28厘米）：

在以往，科學(xué)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(qiáng)度（如鈦合金）、厚度，或是自帶巨大的壓力補(bǔ)償系統(tǒng)，才能承受住萬米深海的重壓。

浙大的這條機(jī)器魚，打破了傳統(tǒng)深海探測(cè)裝置“硬剛”的方法，首次實(shí)現(xiàn)了在萬米深海中，自能源軟體機(jī)器人自主游動(dòng)的能力。

這項(xiàng)研究，現(xiàn)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(qiáng)度金屬材料來制成外殼，對(duì)航行器進(jìn)行保護(hù)。

隨著水域越來越深，外殼的厚度和尺寸也需要得到相應(yīng)提升，機(jī)器就會(huì)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(shù)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(jiān)硬的外殼，卻還能在水中自如游動(dòng)。

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(duì)它的身體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)這種魚的骨骼，細(xì)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(jié)構(gòu)在深海中極易出現(xiàn)故障——

通常，運(yùn)行機(jī)械系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)，會(huì)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(gè)更小的電路板中呢？

事實(shí)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?yàn)殡娐钒迳系脑植继芗蛔阋猿惺苌詈Ｖ械膲毫Α?/p>

研究人員又重新設(shè)計(jì)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?。?/p>

這樣，做出來的電路結(jié)構(gòu)，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(dá)成這一目的，研究人員想到了用電勢(shì)差的方法：利用海水作為離子導(dǎo)電負(fù)極，用機(jī)器魚自帶能源在“翅膀”內(nèi)外側(cè)產(chǎn)生電勢(shì)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(dòng)，推動(dòng)機(jī)器魚前行。

這項(xiàng)研究由浙大的李鐵風(fēng)團(tuán)隊(duì)完成，共同一作為浙大研究員李國(guó)瑞、博士研究生陳祥平和周方浩。

在這個(gè)機(jī)器魚實(shí)現(xiàn)之前，還沒有科學(xué)家在深海實(shí)現(xiàn)過這種自供能驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人。

李國(guó)瑞表示：“這種軟體機(jī)器人無需耐壓外殼，便能承受萬米級(jí)深海靜水壓力，大幅降低了深海探測(cè)的難度和成本?！?/p>

曾發(fā)明最快仿生軟體機(jī)器魚

事實(shí)上，早在2017年，李鐵風(fēng)團(tuán)隊(duì)就曾經(jīng)制造過當(dāng)時(shí)世界最快的仿生軟體機(jī)器魚，研究登上Science子刊。

這種機(jī)器魚參考了蝠鲼的設(shè)計(jì)，全長(zhǎng)9.3厘米，可以以每秒6厘米的速度，游上3小時(shí)。

同樣，它也采用了“電子肌肉”的設(shè)計(jì)：上下兩層是透明高彈體薄膜，中間是導(dǎo)電材料。

隨著“電子肌肉”通電，這條軟體機(jī)器魚就能在紅外線的操控下，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)等各種動(dòng)作。

而且，這種魚類的主要結(jié)構(gòu)，還能通過3D打印技術(shù)直接成型。

“科研就像升級(jí)打怪一樣”

這項(xiàng)研究的共同作者有三位，分別是浙大之江實(shí)驗(yàn)室的科研人員李國(guó)瑞、博士研究生陳祥平、周方浩，通訊作者為李鐵風(fēng)。

△主要作者李國(guó)瑞，陳祥平，周方浩，梁藝?guó)Q與李鐵風(fēng)，圖源浙江大學(xué)

發(fā)明這個(gè)深海軟體機(jī)器魚的想法，源于李鐵風(fēng)和李國(guó)瑞在機(jī)器人頂會(huì)ICRA上的一次討論。

這在當(dāng)時(shí)，提出這樣的設(shè)想，會(huì)面臨非常大的壓力，因?yàn)榇饲?，還沒有人成功做出過這樣的軟體機(jī)器人。

過程中，李國(guó)瑞失敗過很多次，自述“每半個(gè)月就會(huì)做一次機(jī)器壓力測(cè)試，做前都是信心滿滿。然而，幾乎每次都會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題?！?/p>

△圖源之江實(shí)驗(yàn)室

而且，在馬里亞納海溝實(shí)施最終海試時(shí)，團(tuán)隊(duì)還在南海遇到了超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。

但最后，團(tuán)隊(duì)還是克服困難，成功完成了深海測(cè)試。

李國(guó)瑞形容，科研過程就像是“升級(jí)打怪”，遇到各種bug，都是非常正常的事情。

他認(rèn)為，每解決一個(gè)bug，都可以看成是向成功前進(jìn)一步，如果不放棄，就能實(shí)現(xiàn)最終的目標(biāo)。

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