人類如何探測深海？科學家們近年來嘗試從深海里的生物尋找答案。

北京時間3月4日凌晨，頂級學術期刊《自然》（Nature）以封面文章的形式刊發(fā)了由浙江大學、中國科學院深?？茖W與工程研究所、國防科技大學、上海海洋大學、大連海事大學等團隊聯合完成的一項研究。該研究率先提出機電系統(tǒng)軟-硬共融的壓力適應原理，成功研制了無需耐壓外殼的仿生軟體智能機器人，首次實現了在萬米深海自帶能源軟體人工肌肉驅控和軟體機器人深海自主游動。

之江實驗室研究人員李國瑞，浙江大學航空航天學院博士研究生陳祥平、周方浩為論文共同第一作者，該研究的通訊作者為浙江大學流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室、工程力學系教授李鐵風。

李鐵風對澎湃新聞（www.loaarchitects.com.cn）介紹道，這項最新研究為深海探測作業(yè)、環(huán)境的觀察和深海生物的科考提供了新的解決方案，有望大幅提升深海智能裝備和機器人的應用能力，讓柔性智能設備從常規(guī)環(huán)境走向深海作業(yè)等多樣任務與復雜場景，又邁出了堅實的一步。

李鐵風現年34歲，主要研究方向為軟物質力學，智能材料結構設計、軟體機器人、水下智能裝備、醫(yī)療康復裝置等，提出通過控制力電失穩(wěn)實現極大電致變形的驅動理論。在Sciennce Advances、Advanced Materials 等期刊上發(fā)表論文50余篇，論文引用2000余次。獲國家自然科學基金優(yōu)秀青年基金、中國科協青年人才托舉工程、科學探索獎（前沿交叉領域）、麻省理工科技評論科技創(chuàng)新35人（MIT TR35-China）等榮譽。

值得一提的是，李鐵風等人從超深淵的獅子魚中獲得了靈感。在測試中，這款受獅子魚啟發(fā)而來的機器魚能在馬里亞納海溝10900米深處成功驅動，還能在南海3224米處自由游泳。而早在4年前，李鐵風等人發(fā)布的另一項研究顯示，他們還曾從蝠鲼（又稱“魔鬼魚”）中獲得靈感，設計了當時全球游得最快的軟體機器魚。

李鐵風教授與本文主要作者。

來自超深淵獅子魚的啟發(fā)

海洋占地球表面的70%以上，但目前人類的探索仍局限在較淺的海洋深度，由于極端的靜水壓力等，深?；旧鲜俏粗獏^(qū)域。萬米海底的壓力有多大？李鐵風表示，在10900米的海底，靜水壓高約110兆帕，相當于1100個大氣壓。用一個不太恰當的比方，相當于一噸重的小汽車全壓在指尖上。

研究團隊在論文中寫道，精心設計的機器人在水下任務中可以提供出色的機動性和功能性，但在介于3000米到11000米之間的深海探索時，剛性機器人需要壓力容器或壓力補償系統(tǒng)。然而，在極端條件下存在結構破壞的風險，剛性機器人在深?？碧饺匀痪哂刑魬?zhàn)性。

然而，生活在中等海洋深度(1000米左右)的軟體生物，如章魚和水母，它們沒有龐大或厚重的耐壓身體，卻依然能夠在海洋深處游刃有余。這些軟體生物是軟體機器人研究的最初靈感來源，并已被廣泛研究，它們的深海中的適應性啟發(fā)了水下軟體機器人的設計。

研究團隊提到，優(yōu)雅的軟體機器人設計為深海探測提供了途徑。他們認為，最近的研究表明，具有拍打、波動和噴射等推進模式的軟體機器人表現出了優(yōu)異的游泳性能，盡管它們的執(zhí)行器很軟，結構也很靈活，但這些機器人的動力和控制電子設備仍然需要龐大而堅硬的容器來保護它們免受極端壓力。一種沒有剛性容器、能夠在極端深度的海洋中游泳的軟體機器人，目前還沒有開發(fā)出來。

李鐵風等人將靈感目標鎖定在超深淵帶。在海洋學上，透光層以下的區(qū)域常被定義為深海，深度一般在200米以下。按照深度不同進一步將其劃分為中層帶、深層帶、深淵帶與超深淵帶。獅子魚就是超深淵“居民”，中國科學院深淵科考隊就曾在馬里亞納海溝和雅浦海溝通過著陸器獲取過7000多米海底的多個獅子魚樣本。

仿生獅子魚深海軟體機器人。

無需耐壓外殼、電驅動人工肌肉

研究團隊即受到超深淵獅子魚身體構造的啟發(fā)。論文中寫道：這條魚的身體特征包括分散式骨骼和擺動的胸鰭，這些特征指導了我們深海軟體機器魚的動力、控制和DE（介電彈性體）執(zhí)行器的機械設計。

他們開發(fā)了一款能進行深?？碧降姆律涹w機器魚，整體有22厘米長（身長11.5厘米、尾長10.5厘米)，翼展寬28厘米，大約為一張A4紙的長寬。

該機器魚由軟體人工肌肉驅動一對翅膀狀的柔性胸鰭，通過節(jié)律性撲翅實現游動?？刂齐娐?、電池等硬質器件則被融入集成在凝膠狀的軟體機身中；通過設計調節(jié)器件和軟體的材料與結構，實現了機器人無需耐壓外殼，就可以承受萬米級別的深海靜水壓力。

在《自然》同步在線發(fā)表的觀點文章中，新加坡國立大學的Cecilia Laschi寫道，李鐵風及其面臨的挑戰(zhàn)之一是找到一種方法來保護機器人的電子組件不受高壓的影響。

而研究團隊正是從超深淵獅子魚的骨骼中獲得靈感。通過對深海獅子魚的結構分析，研究團隊發(fā)現深海獅子魚的骨骼細碎狀地分布在凝膠狀柔軟的身體中，有助于其在高壓力環(huán)境下的生存與活動。因此，他們將電子器件分開排列，而不是像其他電子設備那樣將它們集中在一起。

研究團隊在論文中介紹了這一設計原理。如果在單個印制電路板(PCB)上密集封裝所有電子器件，壓力測試表明其接口容易發(fā)生故障。有限元分析(FEA)結果表明，壓力導致的剪切應力集中在器件之間的接口。他們則采用分散設計，將器件分離到幾個較小的印制電路板上，從而減輕剪切應力。有限元分析結果表明，在施加相同壓力(110兆帕)下，分散式電子器件界面處的平均剪應力(大約10 兆帕)低于集中式電子元件(大約60 兆帕)。

研究還提到，從PCB上分離所有組件在技術上是困難的，因為它們數量龐大。為了減少這些組件之間的應力，他們還增加了相鄰電子組件之間的距離。在我們的有限元分析中，當相鄰組件之間的距離從0.4毫米增加到2.4毫米時，最大剪切應力降低了17%。

Laschi在上述觀點文章中提到，實驗室測試和模擬表明，這種排列降低了受壓元件之間界面的應力。然后，這些分散的電子設備被嵌入到硅膠中，與機器人結合在一起。“這種方法比其他保護深海設備電子器件的方法更實用，也更便宜?！?/p>

“我們的研究目標就是以全新技術路線實現深潛器的小型化、柔性化、智能化，大幅降低深海探測的難度和成本。”李鐵風說。

此外，電驅動人工肌肉也是這項研究工作的另一個重要突破。機器魚要在深海中驅動，還需克服高分子材料在高壓和低溫時電驅動能力衰減的問題，研究團隊研制了能適應深海低溫、高壓等極端環(huán)境的電驅動人工肌肉，在高壓低溫環(huán)境下依然能保持良好電驅動性能，即便是在馬里亞納海溝的低溫（0-4℃）、高壓環(huán)境（110 兆帕）下依舊能正常工作。

研究團隊巧妙地利用了圍繞在人工肌肉外的海水作為離子導電負極，由機器魚自帶能源在人工肌肉內外側厚度方向產生電勢差，讓高分子薄膜發(fā)生舒張與收縮形變。由此，“翅膀”就能上下拍動，推動機器魚水中前行。

驅動模擬。

“打卡” 馬里亞納海溝

李鐵風等人通過大量的壓力環(huán)境模擬實驗來驗證材料和結構的可行性，在實驗環(huán)境下證明了機器人在深海、極地、高沖擊性等惡劣及特種環(huán)境下，具有較好的發(fā)展應用前景。

隨后，機器魚被“Blue Rov”水下無人機帶入水中，在70米深的湖中進行了測試，在那里它以每秒3.16厘米的速度自由游動。

研究團隊還使用“海馬”號深海遙控潛水器的機械臂將軟體機器魚攜帶至南海約3224米深的地方進行了測試，它達到了每秒5.19 厘米的速度。

南海3224米深海海試。

2019年12月，這款仿生軟體機器魚首次成功在馬里亞納海溝坐底，機器魚隨深海著陸器下潛到約10900米的海底后，在2500毫安鋰電池的驅動下，按照預定指令拍動翅膀，撲翼運動長達45分鐘，成功實現了電驅動軟體機器魚的深海驅動。

馬里亞納海溝10900米深海海試。

研究團隊總結表示，未來的工作將專注于開發(fā)軟體輕質的材料和結構，讓用于極端條件下的裝置具有更好的智能性、通用性、操縱性和效率。

Laschi在上述觀點文章提到，李鐵風等人的研究獲得了突破，嵌入軟材料中的分布式電子元件取代了電子元件的剛性保護外殼，為開發(fā)新一代深海探險者鋪平了道路。他同時提到，在這種設計的機器人進入海洋之前，還有更多的工作要做，這包括水下機器人的速度、承受較大擾動的能力，以及移動能力，這些都需要進一步優(yōu)化以適應實際應用。

該論文審稿人認為，該工作會很大程度推進深海機器人的研究進展。