人們第一次實(shí)現(xiàn)了軟體機(jī)器人的萬米深海操控，以及深海自主游動(dòng)實(shí)驗(yàn)，這是機(jī)器人領(lǐng)域的重大進(jìn)展。

3 月 4 日，最新一期《自然》雜志以封面文章的形式介紹了由浙江大學(xué)、之江實(shí)驗(yàn)室、中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所、國防科技大學(xué)、上海海洋大學(xué)、大連海事大學(xué)等團(tuán)隊(duì)共同完成的新研究，論文標(biāo)題為《Self-powered soft robot in the Mariana Trench》。

即使在地球海洋最深處——馬里亞納海溝「挑戰(zhàn)者深淵」10900 米的深處，這款機(jī)器人的魚鰭也能正常啟動(dòng)，此處上覆水壓力約是海平面大氣壓的 1000 倍，可換算成約 1.03 億帕斯卡。紐約州立大學(xué) Geneseo 的深海生理學(xué)家和生態(tài)學(xué)家 Mackenzie Gerringer 表示：「這相當(dāng)于一頭大象站在你的拇指上。」

深海的巨大壓力為工程設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的深海機(jī)器人或載人潛水器均采用堅(jiān)固的金屬框架或壓力補(bǔ)償系統(tǒng)以求穩(wěn)固，但這些機(jī)械龐大而笨重，且失靈風(fēng)險(xiǎn)仍然很高。浙大提出的軟體機(jī)器人新方法很大程度上解決了這一問題。

在深海中出現(xiàn)的極端條件意味著地球的絕大多數(shù)表面仍然處于未開發(fā)狀態(tài)，李鐵風(fēng)等人設(shè)計(jì)的機(jī)器人受深海動(dòng)物獅子魚啟發(fā)，開發(fā)了一種無束縛軟體機(jī)器人，通過將電子設(shè)備集成到硅樹脂基質(zhì)中來保證動(dòng)力、控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)免受深海壓力，這種自供電的機(jī)器人消除了對(duì)任何剛性容器的需求，能夠在馬里亞納海溝的 10900 米的深度正常啟動(dòng)，并在 3224 米深的南海自由行動(dòng)。

以下動(dòng)圖分別展示了軟體機(jī)器人在壓水室、深湖、南海和馬里亞納海溝四種測試場景中的游動(dòng)：

機(jī)器人在壓水室中繞圈游動(dòng)。

機(jī)器人在深度 70 米的湖中游動(dòng)。

機(jī)器人在深度 3224 米的南海中自由游動(dòng)。

機(jī)器人在深度 10900 米的馬里亞納海溝拍打側(cè)鰭。

位于西太平洋的馬里亞納海溝是已知的海洋最深處，水壓高、溫度低、完全黑暗，被稱為「地球第四極」，而浙大等機(jī)構(gòu)的工作率先實(shí)現(xiàn)了軟體機(jī)器人的萬米深海操控以及深海自主游動(dòng)實(shí)驗(yàn)。

柔軟，才能頂住巨大壓力

據(jù)論文介紹，浙大發(fā)明的這款軟材料機(jī)器人能夠探索未勘探過的海洋深處。更令人矚目的是，作者表示這款機(jī)器人能夠在目前地球已知最深的海溝—馬里亞納海溝進(jìn)行操作。傳統(tǒng)的水下機(jī)器人需要金屬材料制成的水密外殼來抵抗深海高壓，這些水密外殼的厚度和尺寸必須隨著海水深度的增加而增加。與之不同，浙大軟體機(jī)器人采用的精密超軟硅膠電子元件嵌入和分布在軟體硅膠中，這種設(shè)計(jì)不需要耐壓外殼。

下圖為軟體機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)與制作流程。

在具體的設(shè)計(jì)上，這款仿生軟體機(jī)器魚長 22cm（身長 11.5 厘米、尾長 10.5 厘米），翼展寬度 28cm，大約為一張 A4 紙的長寬，具有兩個(gè)拍動(dòng)的側(cè)鰭，如下圖所示。

「我們的另一個(gè)研究突破，在于設(shè)計(jì)了一種能在高壓低溫環(huán)境下依然能保持良好電驅(qū)動(dòng)性能的電驅(qū)動(dòng)智能軟材料。」李鐵風(fēng)教授表示。

作者使用一種完善的機(jī)制來驅(qū)動(dòng)側(cè)鰭的拍動(dòng)，并且側(cè)鰭附著于機(jī)器人軀干上的「肌肉」。這些肌肉由能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為機(jī)械工的軟體材料制成，當(dāng)機(jī)器人的電池為肌肉供電時(shí)，轉(zhuǎn)換開始。微小的固體結(jié)構(gòu)機(jī)械地將收縮的肌肉連接到側(cè)鰭上，使它們拍動(dòng)。

軟體機(jī)器人的軀干設(shè)計(jì)。

魚鰭拍動(dòng)。

李國瑞和合作者面臨的挑戰(zhàn)之一是找到軟體機(jī)器人電子元件的耐高壓方法。他們從鈍口擬獅子魚（Pseudoliparis swirei）的頭骨中獲取了靈感——這種魚的頭骨并不完全由硬骨拼合而成，額外的延展性可以讓其承受的壓力得到平衡。新的機(jī)器人將電子元件分離，并包裹在柔軟的硅樹脂中，而沒有像常規(guī)的那樣堆疊在一起。

鈍口擬獅子魚（Pseudoliparis swirei）生活在西太平洋馬里亞納海溝等處 6200-8100 米的深海中，2014 年 11 月才被科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)。

「相比于傳統(tǒng)的『鎧甲式』抗高壓深潛裝備，我們以全新技術(shù)路線研制仿生深海軟體機(jī)器人，爭取大幅降低深海探測的難度和成本。” 李國瑞說。

實(shí)驗(yàn)測試和模擬結(jié)果表明，這種排列方式降低了水壓下電子元件之間接口處的壓力。然后，分離的電子元件嵌入至軟體硅膠進(jìn)而并入到機(jī)器人中。對(duì)于保護(hù)深海設(shè)備的電子元件而言，這種方法比其他方法更實(shí)用且成本更低。下圖為集中式與分散式電子元件排列的壓力測試情況：

李國瑞等人首先在實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)壓水室中測試了軟體機(jī)器人的游泳能力，其中機(jī)器人與一個(gè)桿子相連，并繞著桿子游動(dòng)。然后在深度 70 米的湖中進(jìn)行測試，其中機(jī)器人以每秒 3.16 厘米的速度自由游動(dòng)。接著在深度約 3200 米的南海中進(jìn)行測試，機(jī)器人的速度達(dá)到了每秒 5.19 厘米（大約相當(dāng)于每秒游了 0.45 個(gè)機(jī)器人軀干長度），這與其他軟體機(jī)器人的性能保持一致。最后在馬里亞納海溝進(jìn)行機(jī)器人的側(cè)鰭拍動(dòng)和耐壓測試，其中一個(gè)提供支持的水下機(jī)器人與它相連，并拍攝了測試圖像。

下圖（左）為機(jī)器人在壓水室和深湖中的測試；圖（右）為機(jī)器人在深海中的測試。

2019 年 12 月，軟體機(jī)器人在馬里亞納海溝坐底，海試影像記錄顯示，在馬里亞納海溝 10900 米海深處該機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定撲翼驅(qū)動(dòng)。2020 年 8 月 27 日晚，該軟體機(jī)器人在南海 3224m 深處成功實(shí)現(xiàn)了自主游動(dòng)。「凌晨三點(diǎn)，我們?cè)谥骺厥依镆环忠幻氲刈⒁曋?，等待機(jī)器人在海底啟動(dòng)。當(dāng)看到機(jī)器人成功完成預(yù)定游動(dòng)時(shí)，懸著的心終于放了下來，數(shù)年的艱難探索終于取得了里程碑式進(jìn)展?！估顕鹫f。

深海軟體機(jī)器人的意義和潛在應(yīng)用

先前針對(duì)開發(fā)水下應(yīng)用軟體機(jī)器人已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)次嘗試，但因?yàn)闄C(jī)器人傳感器在水下環(huán)境下無法很好地工作，因此該領(lǐng)域中機(jī)器人與物體進(jìn)行精密交互是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。當(dāng)收集和處理供海洋生物學(xué)家研究的脆弱海洋生物時(shí)，軟體機(jī)器人抓手比剛性抓手裝置具有明顯的優(yōu)勢(shì)。仿生軟體機(jī)器魚可以與其他魚類一起游動(dòng)而不打擾它們，因此可以進(jìn)行近距離研究。

現(xiàn)在，李國瑞及其同事們的研究突破了可以實(shí)現(xiàn)的范圍：用嵌入軟材料中的分布式電子設(shè)備代替電子元件的剛性保護(hù)罩，為新一代深?？碧秸咪伷搅说缆?。

當(dāng)然，浙大等機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的機(jī)器人目前還存在一些需要改進(jìn)的地方。首先它的游動(dòng)速度有點(diǎn)慢，這意味著其無法承受海流的干擾，在針對(duì)具體應(yīng)用時(shí)，人們還需要進(jìn)一步強(qiáng)化其運(yùn)動(dòng)能力。但顯然，李國瑞等人的研究為具有可考性的深海探測機(jī)械奠定了基礎(chǔ)。

在不遠(yuǎn)的未來，我們或許可以看到這種機(jī)器人帶來的全新海洋生物研究途徑：用軟體機(jī)器人安全地在海底珊瑚礁和洞穴間穿行。如果在海床上部署大量軟體機(jī)器人，則可以開發(fā)出更多生產(chǎn)力應(yīng)用，包括海洋監(jiān)測、有害物質(zhì)清理和生物保護(hù)等方向?？偠灾?，能夠在惡劣環(huán)境中工作的機(jī)器人為人們探索廣闊海洋深處帶來了新的希望。

未來，該研究組將繼續(xù)研究深海軟體智能設(shè)備的能源、驅(qū)動(dòng)、感知一體化系統(tǒng)，提升仿生深海軟體機(jī)器人的智能性，同時(shí)降低應(yīng)用成本。

聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)

浙江大學(xué)博士、之江實(shí)驗(yàn)室智能機(jī)器人研究中心的高級(jí)研究專員李國瑞、浙江大學(xué)博士研究生陳祥平、周方浩為論文共同第一作者，浙江大學(xué)李鐵風(fēng)教授為該論文通訊作者。

在研究過程中中，數(shù)值計(jì)算和大量壓力環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)驗(yàn)證了方案的可行性。為進(jìn)一步證實(shí)機(jī)器人在深海實(shí)地環(huán)境下的可靠性，研究團(tuán)隊(duì)在上海海洋大學(xué)、中科院深海所、大連海事大學(xué)、廣東海洋地質(zhì)調(diào)查局等單位的合力支持下，先后在馬里亞納海溝、中國南海等海域開展了深海海試。

李鐵風(fēng)教授（正中）與該研究的主要作者李國瑞、陳祥平、周方浩、梁藝鳴。

該論文通訊作者李鐵風(fēng)是浙江大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，2012 年 8 月進(jìn)入浙江大學(xué)應(yīng)用力學(xué)研究所工作，加入浙江大學(xué)交叉力學(xué)中心，負(fù)責(zé)浙江大學(xué)軟體機(jī)器人與智能裝備實(shí)驗(yàn)室。李鐵風(fēng)教授的主要研究方向包括軟物質(zhì)力學(xué)、智能材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟體機(jī)器人、水下智能裝備、 醫(yī)療康復(fù)裝置等，他開展了智能軟材料力學(xué)、智能結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料、軟體機(jī)器人等研究，提出通過控制力電失穩(wěn)實(shí)現(xiàn)極大電致變形的驅(qū)動(dòng)理論。

李鐵風(fēng)教授曾在《Sciennce Advances》、《Advanced Materials》等期刊上發(fā)表論文 50 余篇，論文被引用次數(shù) 2000 余次，曾獲國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金、中國科協(xié)青年人才托舉工程、科學(xué)探索獎(jiǎng)（前沿交叉領(lǐng)域、麻省理工科技評(píng)論科技創(chuàng)新 35 人（MIT TR35-China）等榮譽(yù)。