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仿生软体机器人，或许会像无人机颠覆空战格局一般，成为海洋探测领域超越传统深潜机器人的霸主。 1 p8 T- j6 B/ P+ [5 x8 T$ L0 V
仿生机器鱼：海底1万米深，就这？|编辑制图来源 | 科普研习社 微信公众号 0 ?5 y7 z0 x! c$ E
作者 | 郭菲 烟台大学 3 f; W. Z6 k" I2 @8 N
海洋的深处有什么？在幽深的海底，各种奇特的生物引人遐想。但对于人类，深海探索长期以来都是工程技术领域的难题，各种人造结构想要抵御深海压力，就不得不首先具备厚重的承压外壳。 8 y& f5 f# q8 ?) G Y$ M
不过，一群来自浙江大学和之江实验室的中国科学家却反其道而行之，他们从一种神奇的深海鱼类身上汲取设计灵感，制作了以柔性结构作为主体的深海机器人，它成功克服1000个大气压的极端高压，在10900米的世界最深海沟底部自在游动。 ) b* F& B& U0 R. K. `" f
这项成就以封面报道的形式登上了2021年3月的《自然》杂志。
7 t- X k# U: d" V8 Q7 s7 h6 | 难以企及的海底最深处
% v$ R, a7 i( ~+ x3 H" E) x 由于探索困难，人类对深海知之甚少，这片广阔的领域实际上仍然是尚待开发的处女地。海洋地理学上把6000米以下深度的海洋称为超深渊带，这里物种的数量与多样性都无法和浅海地区相提并论。
4 n& I- f- d7 b0 b0 Y 1960年，人类的足迹首次达到地球洋底最深处——距离海平面10900米的马里亚纳海沟底部。这里的水压大约为103兆帕，相当于海平面大气压的1000倍。形象一点说，这个数值下的压强好比是一头北极熊站在一张邮票上，或者相当于一个人背着50架波音737客机。
8 j' x) g" r6 C/ f 如此巨大的压力对于人类现有的工程设备而言是一个严酷挑战，因此传统的深海机器人和载人深潜器都具有厚重的外壳，即便如此，也仍然要冒着因材料或者结构缺陷造成外壳溃破的风险。正因为难度如此之高，人类突破深海与进军太空的时间，基本处于同一年代。 . `/ a% s5 ~( U% ? n# |$ v% |6 }
深海的巨大压力，对传统机器人和深潜器是严苛的挑战。｜图虫创意狮子鱼，机器人的灵感来源
. V, t, c/ M ] 不过，对于人类而言至难的伟业，对于深海鱼类来说却是稀松平常的事。目前，鱼类捕获深度的世界纪录保持者是一只神女底鼬鳚，它于1970年在波多黎各海沟8370米深处通过拖网方式被捕获。神女底鼬鳚在全球深海海域都有分布，但科学家在那之后一直未在8000米海域发现它的生存迹象。因此，这位世界纪录保持者很可能生活在更浅的水域，只不过是当时恰好被拖网带到了8370米深。
- d8 H, Y% {0 Q 真正日常栖息在8000米深处的鱼类，于2014年首次现身于人类的视野，就是当下深海生物界的当红炸子鸡——深海狮子鱼。它通体呈现粉白色，通常长度约为30厘米，体重约160克，样子看上去像一只巨大的蝌蚪。在马里亚纳海沟部分8000米深处的洋底，深海狮子鱼是食物链顶端的猎食者，平时以生活在洋底的甲壳类为食，在其所栖息的海域并不算是稀有物种。 . K" a# z9 R$ v, T
深海脊椎动物头号“抗压王”——狮子鱼。｜维基百科深海狮子鱼的极限抗压能力令人咋舌，经过研究，其体内存在大量的胶状物质，这对于它们平衡内外压力具有重要作用。另外，它们的骨骼进化出了一些适应于深海压力环境的特征。除了保护大脑的一部分头骨，它的绝大多数骨骼皆为软骨，且骨骼衔接位置留有大量空隙，这些空隙可以极大地中和施加到骨骼上的压力。
! y2 |* _$ F" e6 A 挑战深海高压，仿生机器人以柔制刚. a3 @ G; D4 _5 l# x7 ~$ B. D/ \! ?
深海狮子鱼这一物种被发现后，短短数年间就引发了科学家的强烈兴趣，这其中既有致力于揭示其解剖结构和起源演化的生物学家，也有致力于利用其作为灵感来进行深潜机器人设计的工程学家。 ( d$ X' b. s; Z$ N
该物种最早的发现人之一就曾在2018年利用3D打印技术制造了一只硅胶机器人版的深海狮子鱼。但这只机器鱼功能十分单一，而且设计它的最初目的还是为了研究深海狮子鱼的生理结构。
% M( |' B7 [, ?" F* D) R0 [, u; S$ @ 3D打印制成的机器狮子鱼｜@STACY FARINA AND M. GERRINGER/FRIDAY HARBOR LABS/UNIV. OF WASH.不过，这次中国科学家更好地借鉴了深海狮子鱼的过人之处，发展出了一种全新的深海机器人。
9 N. S# ^: ^/ g- W; [% x1 W 其核心设计思想正是参考了深海狮子鱼适应深海的两大特征：第一，摒弃了笨重的抗压外壳，采用软质有机硅材料作为主要躯干，以柔克刚；第二，将各种电子部件均匀分散到身体各处，以实现最大限度的压力平衡，同时防止各组件在受到外壳变形后相互挤压失效。
3 n& W; q0 F! N" |2 B* U* c, Y 这个仿生机器人的另一大亮点是拥有一对鱼鳍状的推进翼，扇动推进翼就能让机器人在海中前行。虽然这一设计同样借鉴于深海狮子鱼的两片胸鳍，但必须指出，后者的胸鳍其实并非起推进作用，它们的运动方式其实非常类似于蝌蚪。
( C1 l5 d3 g9 b: v+ a8 a$ h 仿生深潜机器人和其借鉴的对象（示意图）｜LI ET AL/ NATURE 2021目前，该机器人已经在70米水深的湖中、3000米水深的南海，以及接近11000米的马里亚纳海沟底部进行了一系列实验。前两种情形下，机器人完成了仅依靠推进翼的自主游动，而在马里亚纳海沟完成的实验中，科学家们用深潜器的机械手将其进行了部分固定。 " u5 k1 P/ c7 ~- u' s
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- N$ R: c2 ^& R0 ]! m 软体机器鱼和深海虾、硬质机械臂同框｜LI ET AL/ NATURE 2021不过，该仿生机器人还存在至少两点尚待改进之处：首先，它的游速比同类深潜机器人慢的多；另外，它还没有足够的动力对抗激烈的海流。不过，学术界仍然对它的未来寄予厚望，作者总结称，“下一步的工作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”。
# m3 j, u$ u* l0 [ 未来，类似的仿生深海机器人不仅将拥有灵活运动的能力，还将具备多种本领，例如探测海水成分、拍摄深海生物照片及视频、收集样品并返回海面等。它们在成本上的显著优势，将很有可能像无人机颠覆空战格局一般，成为海洋探测领域超越传统深潜机器人的霸主。
7 g4 x3 q; ]2 o* d& E 编辑 | 梁金 王晓非 ) x' S, p1 O2 q( ]
责编 | 高佩雯 3 T3 C( O, m& E) Y x
参考文献
) o0 {! z, K% D9 P1 y$ F [1] https://www.nature.com/articles/d41586-021-00489-y
+ x7 p' }; T: A# M. h6 I# j [2] https://www.nature.com/articles/s41586-020-03153-z ; s: x% x6 L. P% x4 q! k: m
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