比陆地更辽阔的是海洋,海水覆盖了地球约71%的表面积。不过,海洋学者认为人类只探索了其中的5%而已。人们经常对较浅的海洋进行勘探,但由于极端的静水压力,深海区域基本仍是一片神秘领域。
目前,设计精良的水下机器人在深海任务中具有出色的机动性和功能性,勘探深度能达到3000-11000米,比如我国自主研发的“蛟龙号”“奋斗者号”等载人潜水器,在深海探矿、海底高精度地形测量、可疑物探测与捕获、深海环境与生物考察等任务中都扮演着关键角色。但是,这些深海潜水器通常需要特制的压力容器或压力补偿系统来保护内部机电系统,考虑到海底极端条件下结构破坏的风险,深海勘探仍然具有危险性和挑战性。
然而,大自然是神奇的,没有耐重压系统的深海生物却可以在极深的海域繁衍生息,灵活游走。受深海生物特性的启发,来自浙江大学、之江实验室的科研团队及其合作者开发了一种能用于深海探测的无线自供能软体机器人,他们通过在马里亚纳海沟最深10900米处和南海最深3224米处进行实际测试,验证了这种机器人具有极好的耐压和游泳性能。
相关研究论文以“Self-powered soft robot in the Mariana Trench”(马里亚纳海沟里的自供能软体机器人)为题,于3月4日发表在《自然》(Nature)杂志上。论文里介绍的这种深海机器人,是一种典型的仿生装备与系统。
目前,生活在中等海洋深度(约1000米)的软体生物,如章鱼和水母等已被广泛研究,它们的适应能力启发了很多水下软体机器人的设计,为深海探险提供了很多有前途的方法。
尽管如此,这类机器人的动力和控制电子系统仍然需要笨重而坚硬的容器来抵御深海极端压力,一种没有刚性容器、能在极端深海游泳的、有压力弹性的软机器人还没有被开发出来。浙江大学李铁风、李国瑞及其合作者设计开发的这款软体机器人,灵感则是来自钝口拟狮子鱼(Pseudoliparis swirei)。
据了解,这种机器人设计成功的关键之一是压力弹性电子元件。传统的水下航行器需要金属材料制成的水密外壳,以承受深海高压,这些外壳的厚度和尺寸必须增加,以适应更大的深度。但在研究团队此次设计的机器人中,精密的电子元件被嵌入并分布在柔软的硅树脂基体中,这种设计消除了对耐压外壳的需求。
此外,DE材料也经过了精心设计,可在深海低温高压下保持其电压感应驱动。研究人员在高压下测量了由典型DE材料(VHB)制成的圆形致动器的电压感应区域应变,结果发现,当实验条件从(0MPa,25°C)变为(110 MPa,5°C)时,电压引起的区域应变从19.1%下降到了2.4%,不足以推动机器人。因此,他们采用了一种新的三嵌段共聚物:SBAS。
除了深海实地测试外,研究团队还进行了一系列的压力舱和深湖实验,进一步验证了该软体机器人的游泳性能。研究人员表示,此次取得的实验成功有可能扩展到各种其他软设备上,未来如果集成额外的功能单元或重新排列电路则有望产生多种附加功能,例如深海中的传感和通信。
具有传感、驱动、电源和控制系统的软设备可以完全集成,以监测和调节机械滥用条件下的复杂任务(不仅是高压,还有其他困难的机械条件,如振动或冲击)。研究团队的未来工作将集中在开发新的材料和结构,以增强软机器人和设备的智能性、多功能性、机动性和效率。
此前人们曾多次尝试开发应用于水下的各类软体机器人,但由于机器人传感器在深海环境下工作不良,因此机器人与物体的精细交互是一个具有挑战性的领域。另外,软机器人抓手要比刚性抓取装置具有很大的优势,且受生物启发的软体机器鱼可以在其他动物之间游动,而无需对它们造成干扰,因此可以进行近距离研究观察。
新加坡国立大学教授Cecilia Laschi在评论文章中表示,研究团队如今已经突破了可以达到的极限:用嵌入软材料中的分布式电子器件取代电子元件的刚性保护外壳,为新一代深海探险家铺平了道路。然而,在海洋中布置这种设计的机器人之前,还有很多工作要做。因为这项研究开发的机器人比之前报道的水下机器人移动要慢,而且不能承受太多环境的干扰,比如它很容易被水下暗流冲走,其运动能力也需要针对实际应用进行优化。
从长远展望来看,人们可以预测海洋生物学研究的发展方向,即软体机器人在珊瑚礁或水下洞穴中安全航行,在不损坏珊瑚礁或洞穴的情况下采集精致的标本,成群的水下软机器人能够在海床上爬行,将自己固定在特定的结构上或在特定的区域游走探索。这将有助于各种其他应用技术的发展,进一步为推动海洋监测、清理和防治海洋污染、保护海洋生物多样性提供更多创新方案,更重要的是,它们可以帮助科学家探索海洋深处的大片未知地带。