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在地球最深處

馬里亞納海溝的萬米深淵

壓強相當(dāng)于一個指甲蓋上

站了一頭一噸重的犀牛

溫度接近冰點

此前，能到達這里的深海機器人

多為重量達數(shù)噸的剛性體大型潛航器

而對身長1米以內(nèi)的小型機器人來說

這里的極端環(huán)境曾是“禁區(qū)”

會使它們“肌肉僵化”、舉步維艱

2021年，北航機器人于馬里亞納海溝(10666m)釋放

如今，一臺身長不到50厘米

體重僅1500克的“小精靈”翩然而至

在深海高靜水壓下行若無事

身形矯健、行動自如

它時而擺動尾鰭如游魚穿梭

時而展開背鰭如海燕滑翔

甚至能將尾鰭變化成腿

在海底“漫步”

機器人在海底爬行

這一能在萬米深海

實現(xiàn)多模態(tài)運動的

小型深?？勺冃螜C器人

由北京航空航天大學(xué)

機械工程及自動化學(xué)院研究團隊

聯(lián)合中科院深海所、浙江大學(xué)

歷經(jīng)6年共同研發(fā)

深海小型多模態(tài)機器人

研究成果于3月20日

發(fā)表在國際學(xué)術(shù)頂刊

《科學(xué)·機器人》（Science Robotics）

為深海探索帶來了更多可能性

成果同時被Science Robotics

官網(wǎng)首頁大圖介紹

仿生靈感

深海生物多模態(tài)運動的智慧啟迪

大自然是人類最偉大的導(dǎo)師，深海生物在極端環(huán)境下展現(xiàn)出的適應(yīng)性和多樣性，為科研團隊提供了寶貴的仿生靈感。蝙蝠魚是深海世界的“舞者”，通過巧妙的鰭肢運動，在深海中自由游弋、行走。研究團隊正是從蝙蝠魚的運動模式中汲取靈感，設(shè)計出能夠游動、滑翔、爬行的多模態(tài)機器人，并利用手性雙穩(wěn)態(tài)超材料結(jié)構(gòu)實現(xiàn)0.75s內(nèi)的游動-走動快速轉(zhuǎn)換，適應(yīng)不同的海底地形和任務(wù)需求。

在游動模式下，機器人通過尾鰭的擺動產(chǎn)生推力，如魚得水般穿梭，最高速度可達5.5cm/s；在滑翔模式下，展開的背鰭利用水的升力實現(xiàn)長距離滑行，宛如深海中的海燕，輕盈而優(yōu)雅；在爬行模式下，機器人利用各向異性足部設(shè)計，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)運動能力，使機器人能夠在復(fù)雜的深海環(huán)境中靈活應(yīng)對，完成多樣化的任務(wù)，成為深海探索的多面手。

核心突破

深海極端環(huán)境中的柔性“風(fēng)火輪”

“10000米深海壓強對于小機器人來說，相當(dāng)于壓了一座小型冰山”，北航研究團隊負責(zé)人文力教授的比喻，生動地揭示了深海小機器人在研發(fā)過程中面臨的最大難題之一。在深海的高壓下，柔性驅(qū)動器材料的模量增加，類似肌肉的“僵化”，會導(dǎo)致驅(qū)動幅值與速度的衰減，削弱機器人的運行性能。為了克服這一挑戰(zhàn)，在多次嘗試之后，研究團隊設(shè)計出了全新的深海驅(qū)動裝置：利用雙穩(wěn)態(tài)手性超材料結(jié)構(gòu)在兩個穩(wěn)態(tài)之間切換時的快速突跳（snap-through），實現(xiàn)高效驅(qū)動。這種快速突跳的速度和幅度會隨著結(jié)構(gòu)材料模量的增加而增加，巧妙地將深海高壓對軟材料的負面影響扭轉(zhuǎn)為正面影響，從而“化腐朽為神奇”，成為提升機器人驅(qū)動性能的助力，克服了以往柔性材料驅(qū)動器在深海環(huán)境下性能衰減的困難，使得機器人在深海中能夠?qū)崿F(xiàn)更高的驅(qū)動速度和幅度，如同深海中的“風(fēng)火輪”，在壓力中釋放出驚人的動力。

機器人于中國南海海馬冷泉(1384m)游動、滑行、變形和爬行

針對2-4℃低溫這一深海環(huán)境帶來的另一難題，研究團隊巧妙利用在低溫環(huán)境下可實現(xiàn)高頻循環(huán)主動變形的形狀記憶合金進行拮抗驅(qū)動。利用形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)，通過周期性電流加熱使一對形狀記憶合金彈簧主動交替收縮，驅(qū)動手性超材料單元的雙穩(wěn)態(tài)突跳切換，從而實現(xiàn)驅(qū)動器的快速循環(huán)擺動。進一步，通過有限元仿真、實驗室環(huán)境測試及高壓罐實驗等方法，系統(tǒng)優(yōu)化了驅(qū)動器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終實現(xiàn)了靜水壓力對驅(qū)動性能的正向強化，顯著提升了驅(qū)動器的擺動速度與幅值。最后，通過硅油填充的硅膠管、柔性油囊等封裝技術(shù)，實現(xiàn)了形狀記憶合金驅(qū)動器、電路板和能源系統(tǒng)的壓力自補償封裝。

深海實驗

從實驗室到深海的性能超越

為了驗證機器人的性能，研究團隊在多個深海地點進行了實地測試。在幾年的測試時間中，機器人搭載“深海勇士號”和“奮斗者號”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14次部署測試。在3756m深海下，驅(qū)動器的驅(qū)動性能超越了實驗室的性能，在擺動幅度上得到了24.9%的提升。在1384m深海的游動（33.7 mm/s）、滑翔（72.1 mm/s）、爬行（21.5 mm/s）的多模態(tài)運動速度與常溫常壓下(游動33.1 mm/s、滑翔56.9 mm/s、爬行21.5 mm/s)的表現(xiàn)相當(dāng)。深海低溫高壓下機器人的運動性能可以媲美甚至超越實驗室常溫常壓下的運動性能，并成功實現(xiàn)了預(yù)期的多模態(tài)運動。

機器人于中國南海中南海山(3756m)測試

穿戴式柔性抓手

深海作業(yè)的好助手

針對深海無法對軟體生物安全抓取的難題，研究團隊利用手性超材料單元的壓-扭耦合效應(yīng)提出了一種穿戴式深海柔性抓持器設(shè)計方法。在抓持器接觸面上引入分布式微型手性結(jié)構(gòu)，降低了被抓物體表面的接觸應(yīng)力集中，提高了抓持安全性。當(dāng)穿戴在傳統(tǒng)剛性手上，通過剛性手的線性開合驅(qū)動，該抓持器能夠輸出51.8N的切向抓持力，并在楊氏模量從10

超材料柔性手抓取深海海星與海參(3469m)

目前，團隊正朝著深海柔性機器人+AI的研究方向努力，為深海智能作業(yè)提供更廣闊的空間。從實驗室水池到馬里亞納海溝再到成果發(fā)布，這條研發(fā)之路至今走了整整6年。經(jīng)歷過南海測試時風(fēng)浪打碎機體的至暗時刻，也享受過萬米海底首秀成功的歡呼雀躍，正如團隊成員、北航機械工程及自動化學(xué)院博士研究生、深潛人員左宗灝所說：“深海科研的魅力在于未知帶來的挑戰(zhàn)，每次下潛的機會都彌足珍貴，但永遠相信只要敢邁步，海底也會有光?！?/strong>

北航參試學(xué)生左宗灝隨“深海勇士號”載人深潛器下潛測試

未來，研究團隊將致力于

聚焦提升深海小型機器人

的續(xù)航能力和運動效率

實現(xiàn)更大范圍的深海探測和監(jiān)測

為海洋資源開發(fā)、考古發(fā)掘

環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域

提供更多的北航方案、中國方案

概念圖

潘飛、劉嘉琦、左宗灝、何夏為本論文的共同第一作者，機械工程及自動化學(xué)院文力教授與丁希侖教授為本論文的通訊作者。北航為本論文的第一單位及通訊單位。本研究得到了青年科學(xué)基金項目（A類）和創(chuàng)新研究群體等項目的資助。

論文發(fā)表鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adp7821

日前，文力教授憑其在仿生機器人、軟體機器人及海洋機器人等領(lǐng)域的學(xué)術(shù)貢獻，榮膺Science Robotics期刊新一屆編輯與咨詢委員會（Editorial and Advisory Boards）委員（全球共25名科學(xué)家入選）。

這支來自北航的深海研究團隊

正在嘗試用科技之翼點亮深淵

或許在不遠的將來

當(dāng)我們在紀(jì)錄片中看到

成群深海機器人穿梭在神秘海溝間

會想起這個在實驗室里迭代調(diào)試

在科考船上等待數(shù)據(jù)的科研團隊

為北航人點贊！