勇闖深?！敖麉^(qū)”，北京航空航天大學(xué)研究成果登上《科學(xué)·機(jī)器人》

中國(guó)教育報(bào)-中國(guó)教育新聞網(wǎng)訊（通訊員 馮浩 記者 梁丹）在地球最深處——馬里亞納海溝的萬(wàn)米深淵，壓強(qiáng)相當(dāng)于一個(gè)指甲蓋上站了一頭一噸重的犀牛，溫度接近冰點(diǎn)。此前，能到達(dá)這里的深海機(jī)器人，多為重量達(dá)數(shù)噸的剛性體大型潛航器，對(duì)于身長(zhǎng)1米以內(nèi)的小型機(jī)器人而言，這里的極端環(huán)境會(huì)使它們“肌肉僵化”、舉步維艱，曾一度是“禁區(qū)”。

如今，一臺(tái)身長(zhǎng)不到50厘米、體重僅1500克的“小精靈”翩然而至，在深海高靜水壓下安然無(wú)事。它時(shí)而擺動(dòng)尾鰭如游魚(yú)穿梭，時(shí)而展開(kāi)背鰭如海燕滑翔，甚至能將尾鰭變化成腿，在海底“漫步”。

這一能在萬(wàn)米深海實(shí)現(xiàn)多模態(tài)運(yùn)動(dòng)的小型深?？勺冃螜C(jī)器人，由北京航空航天大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“北航”）機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中科院深海所、浙江大學(xué)，歷經(jīng)6年共同研發(fā)而來(lái)，研究成果于3月20日發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)頂刊《科學(xué)·機(jī)器人》（Science Robotics），同時(shí)被Science Robotics官網(wǎng)首頁(yè)大圖介紹。

據(jù)了解，研究團(tuán)隊(duì)從蝙蝠魚(yú)的運(yùn)動(dòng)模式中汲取靈感，設(shè)計(jì)出了這一能夠游動(dòng)、滑翔、爬行的多模態(tài)機(jī)器人：在游動(dòng)模式下，機(jī)器人通過(guò)尾鰭的擺動(dòng)產(chǎn)生推力，如魚(yú)得水般穿梭，最高速度可達(dá)5.5cm/s；在滑翔模式下，展開(kāi)的背鰭利用水的升力實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離滑行，宛如深海中的海燕，輕盈而優(yōu)雅；在爬行模式下，機(jī)器人利用各向異性足部設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)3cm/s的沙地行走，穩(wěn)健而靈活。這種多模態(tài)運(yùn)動(dòng)能力，使機(jī)器人能夠在復(fù)雜的深海環(huán)境中靈活應(yīng)對(duì)，成為深海探索的多面手。

“10000米深海壓強(qiáng)對(duì)于小機(jī)器人來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于壓了一座小型冰山?！碧崞鹧邪l(fā)過(guò)程中面臨的壓強(qiáng)難題，北航研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人文力教授打了個(gè)生動(dòng)的比喻。在深海的高壓下，柔性驅(qū)動(dòng)器材料的模量增加，類似肌肉的“僵化”，會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)幅值與速度的衰減，削弱機(jī)器人的運(yùn)行性能。

為了克服這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了全新的深海驅(qū)動(dòng)裝置：利用雙穩(wěn)態(tài)手性超材料結(jié)構(gòu)在兩個(gè)穩(wěn)態(tài)之間切換時(shí)的快速突跳（snap-through），實(shí)現(xiàn)高效驅(qū)動(dòng)。這種快速突跳的速度和幅度會(huì)隨著結(jié)構(gòu)材料模量的增加而增加，巧妙地將深海高壓對(duì)軟材料的負(fù)面影響扭轉(zhuǎn)為正面影響，“化腐朽為神奇”，成為提升機(jī)器人驅(qū)動(dòng)性能的助力，克服了以往柔性材料驅(qū)動(dòng)器在深海環(huán)境下性能衰減的困難，使得機(jī)器人在深海中能夠?qū)崿F(xiàn)更高的驅(qū)動(dòng)速度和幅度，如同深海中的“風(fēng)火輪”，在壓力中釋放出驚人的動(dòng)力。

針對(duì)2-4℃低溫這一深海環(huán)境帶來(lái)的另一難題，研究團(tuán)隊(duì)巧妙利用在低溫環(huán)境下可實(shí)現(xiàn)高頻循環(huán)主動(dòng)變形的形狀記憶合金進(jìn)行拮抗驅(qū)動(dòng)。利用形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)，通過(guò)周期性電流加熱使一對(duì)形狀記憶合金彈簧主動(dòng)交替收縮，驅(qū)動(dòng)手性超材料單元的雙穩(wěn)態(tài)突跳切換，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的快速循環(huán)擺動(dòng)。進(jìn)一步，通過(guò)有限元仿真、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測(cè)試及高壓罐實(shí)驗(yàn)等方法，系統(tǒng)優(yōu)化了驅(qū)動(dòng)器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了靜水壓力對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的正向強(qiáng)化，顯著提升了驅(qū)動(dòng)器的擺動(dòng)速度與幅值。最后，通過(guò)硅油填充的硅膠管、柔性油囊等封裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器、電路板和能源系統(tǒng)的壓力自補(bǔ)償封裝。

為了驗(yàn)證機(jī)器人性能，研究團(tuán)隊(duì)在多個(gè)深海地點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試。在幾年的測(cè)試時(shí)間中，機(jī)器人搭載“深海勇士號(hào)”和“奮斗者”號(hào)載人深潛器完成了包含海馬冷泉（1384m）、龍西海山（3756m）和馬里亞納海溝（10666m）在內(nèi)的多地形、全海深的共計(jì)14次部署測(cè)試。

目前，團(tuán)隊(duì)正朝著深海柔性機(jī)器人+AI的研究方向努力，為深海智能作業(yè)提供更廣闊的空間。未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將致力于聚焦提升深海小型機(jī)器人的續(xù)航能力和運(yùn)動(dòng)效率，實(shí)現(xiàn)更大范圍的深海探測(cè)和監(jiān)測(cè)，為海洋資源開(kāi)發(fā)、考古發(fā)掘、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域提供更多的北航方案、中國(guó)方案。