|
! \$ \- d4 g) p: R5 ]+ f( i 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。
c3 N+ l- o& Y8 ?: T 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
5 i$ F/ A* x# X: |2 w8 i" o 作者 | 郭菲 烟台大学
( _9 {& ]* {. Y1 X3 G9 N8 S 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。 ' @3 t7 n; `4 ~+ c
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。 ' O ?& u5 R& U. C$ c
这项成就以封面报道的形式登上了2021年3月的《自然》杂志。 + ]( m' e) N3 [6 j2 A8 z
难以企及的海底最深处# v5 j4 g4 |5 m) R# {; E, @1 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。 : c$ j9 _, t8 c% H) u; J
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。 : ^' @: J- s: L& ?% K$ b
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。 " L6 W7 O( z7 T9 m
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. o1 y' ] M3 _% e. ?7 }0 i0 G* i
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。 : J0 S `: I3 b1 K4 m
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。 7 `6 Q! x/ ^# a- G% s3 }
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。 7 j) y. \' L# _( i6 Z% L! L4 g
挑战深海高压，仿生机器人以柔制刚
4 d5 C, \. L8 T3 N7 |$ w 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。 - f! U- E+ @! n9 h3 R
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。 ( `! R1 X6 w% J( s& N
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。
" h& U0 M. I( [/ Q1 [ 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。 / `! t- [! i9 V3 \8 D
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。 & R' J8 D0 T [' S; c, z* J- Q
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。
+ {& v3 K8 I" b! z4 m" C/ r
% n3 W- b# h! ]' X/ l, T1 x
& s, r3 Z( ?7 O/ r 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”。 % F+ p' R1 R6 u
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 V) t. y+ E8 c( j 编辑 | 梁金 王晓非 1 T- V6 @7 f, a' r" m
责编 | 高佩雯
8 t% v6 p8 `. I6 H7 C 参考文献
9 z" h2 }5 z3 g1 U7 K [1] https://www.nature.com/articles/d41586-021-00489-y
$ i& O" H4 ^" [ [2] https://www.nature.com/articles/s41586-020-03153-z 7 o) O# Y! r5 ~/ O
文章由“科普研习社”（ID：cspbooks）公众号发布，转载请注明出处。
( X4 P9 _& F! O9 _+ w3 d* ~& c# A0 {8 p& M8 \$ J- }
9 y9 a! I# ]* `1 {
8 _6 {, c4 A) k
7 H' Z+ A) W1 q6 I7 H9 k5 e& ^8 e | 
