柔软的身体“长”有鱼鳍、鱼尾2 o* [8 T4 _2 @0 |
在深海之中“游动”时- W. m; Z, N' R/ z, [/ L ~
随着躯体灵活地摆动
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) H$ y }: i+ o* |2 N0 G' p2023年11月4日，哈尔滨工程大学、浙江大学、北京航空航天大学、哈佛大学、中科院深海所等单位在国际知名期刊《自然通讯》（Nature Communications）联合发表前瞻性文章：《面向深海探索的仿生软体机器人》（Bioinspired soft robots for deep-sea exploration）。论文第一单位为哈尔滨工程大学青岛创新发展基地，哈工程李国瑞教授为论文第一作者和共同通讯作者，浙江大学李铁风教授为论文共同通讯作者，哈工程张阿漫教授等为论文共同作者。7 ]/ K+ w' P! Y9 D& A5 k
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& H/ N5 Z4 R9 Q% s* G▲未来深海软体机器人的前瞻性设计9 d( X" l* H, H5 D
与实际应用场景示意图; m) L5 v8 d! f/ y x3 [; U7 [
点击上图查看论文原文9 O1 _5 I& g+ U+ n8 e+ W
本文基于前期代表性研究，从仿生学角度提出深海软体机器人系统设计理论与应用方法，有望推进深海软体智能系统研究进展，既可为深海特种装备作业提供全新解决方案，也可助力深海仿生智能系统前沿研究。! |) }: Q6 z% G, I- [# n
▲深海软体机器的发展图
5 R) u: g9 [4 W- @深海机器人作为当前深海探索的重要技术手段，在海底资源探测、极端救援等领域扮演着重要角色。但因深海中的极高静水压力，机器人所搭载的机电器件需要耐压外壳或压力补偿系统等进行保护，这极大限制了深海机器人以及智能装备的小型化、机动性和经济性。
" \; C; y3 G9 k4 l: i# D深海生物因其独特的生理结构，展现出良好的极端环境适应性，这为新概念深海装备研究提供了丰富的设计灵感。作为水下装备领域的前沿分支，软体水下机器人以软体生物为仿生原型，在结构上，由高度柔软的弹性材料组成；在功能上，由智能软材料代替电机或传感器提供类肌肉驱动或感知。因其特有的强适应、高柔顺、自感知等优势，软体机器人已在深海领域应用展现出极大潜力。
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! V* T% ~# d0 \8 O▲受深海生物启发设计的软体传感器* g. i. b M9 K X9 E) V, X: H
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5 A9 w& ~7 [3 C) M. |" e+ v' o# w▲ 李国瑞教授（左二）
3 V, T9 E6 B6 N# l5 V, H本文探讨了深海软体机器人驱动、感知、压力自适应设计方法，为深海软体机器人推进、驱动、信息感知及力学设计提供前瞻性视角。未来，深海软体机器人将集成柔性电路、软体驱动器、柔性传感器、能源再生等技术。柔性电路技术为实现机器人内部耐压结构呈细碎式分布提供可能，薄膜声学传感器可实现阵列式信号智能传输，集成式深海能源再生技术可为软体机器人在深海长期驻留、作业提供可行性。, o3 \. T& B( S1 W
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" _" m1 {6 V* G. T3 c- t7 |▲深海软体机器鱼在李国瑞实验室驱动实验9 k, w- J, w9 x# @1 ~1 C/ p" A
“常规的深海装备需耐压壳保护、造价高昂，作为一种颠覆性技术，未来的深海软体仿生机器人造价可大幅降低，如通过深海软体机器手实现样本和生命体无损获取，也可以通过深海软体机器鱼低扰动地融入深海生物群落开展原位探测，并通过可降解材料实现深海原生态系统保护。未来，一台普通的深海探测装备可搭载多台小型化深海软体机器鱼协同开展深海作业，为高效、智能深海探测，提供更多可能。”李国瑞教授介绍道。, j. S, } b' q8 |/ a1 {2 e
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3 q0 q: P2 g3 C! D2 D0 X& ]6 a▲李国瑞教授指导学生) r. U( X# W3 S5 v
2021年，在浙江大学李铁风教授的指导下，李国瑞作为第一作者在Nature期刊发表封面文章《Self-powered soft robot in the Mariana Trench》，设计了身长22厘米，展翅28厘米的深海软体机器鱼，率先建立了万米深海软体机器人的压力适应理论及系统设计方法，在国际上首次实现了无耐压壳软体机器人在马里亚纳海沟10900米深海驱动与南海3224米深海自主航行，该成果入选2021年度“中国科学十大进展”。
% q% x: Y, ]2 [+ s2022年4月，李国瑞回到母校哈工程，建立软体水下机器人实验室，围绕“极端水下环境软体机器人与柔性智能系统”这一前沿方向开展研究。面向深海、水下爆炸等极端载荷下软体机器人与柔性智能系统的基础理论、器件设计与系统集成等关键问题，开展力学、材料、控制等多学科交叉研究，发展水下软体机器人系统设计理论、系统集成及应用方法，为未来强适应的水下智能装备研究提供更多新的突破口。8 M! q8 {' s! v) i
撰文 | 王庆琛6 a, Z L& u9 n; Z+ b/ G3 B
视觉策划与设计 | 侯万龙 张雅梅
4 u0 ^7 f a g1 L排版 | 李堃- e" y3 j$ D1 |5 I% Y" A' s
编辑 | 李颖超5 b4 q! V9 b5 |% V
责编 | 霍萍
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审核 | 吕冬诗 金声/ N. n5 f% Z4 _8 M6 ^' B
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3 d4 T- G$ w% b! ?9 r7 {1 V! n信息来源：教育部官网；半岛都市报；南京大学官网；青记。 |
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