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我国仿生软体机器人“打卡”地球最深海沟

机器人大讲堂 2021-03-06 09:48 次阅读

北京时间2021年3月4日,国际顶级期刊《自然》封面发表之江实验室与浙江大学合作的仿生深海软体机器人最新研究:马里亚纳海沟的自驱动软体机器人(Self-powered soft robot in the Mariana Trench)。该研究团队率先实现了软体机器人的万米深海操控以及深海自主游动实验!

适应万米静水压的软体机器人

由于极端的静水压力,深海区域人们基本很难探测。位于西太平洋的马里亚纳海沟是已知的海洋最深处,水压高、温度低、完全黑暗,被称为“地球第四极”。随着深潜技术的不断发展,人们发现,茫茫深海并非一片死寂,在马里亚纳海沟6000—11000米之间的极高压深水区,仍有数百种物种生存,狮子鱼(snailfish)就是其中的典型代表。

钝口拟狮子鱼

生物学研究发现,狮子鱼的骨骼细碎状地分布在凝胶状柔软的身体中,能承受近百兆帕的压力,相当1000个大气压强。打个不恰当的比方,这巨大的压力相当于约一吨重的小汽车全压在指尖上。“狮子鱼的奇特构造带给我们很大启发。如果能将深海的‘生命奥秘’化作‘机器之力’,我们就可以研发出自适应深海极端环境的仿生、软体、小型化智能深海机器人,既可助力深海探索,又能发展新型机器人与智能装备。”该论文第一作者——之江实验室智能机器人研究中心的高级研究专员李国瑞谈及研发初心仍难抑制兴奋之情。

明确了研究方向,2018年5月,之江实验室智能机器人研究中心与浙江大学交叉力学中心李铁风教授团队启动了以狮子鱼为原型的仿生深海软体机器人研究。基于狮子鱼头部骨骼在软组织中的分散融合这一特点,项目组对电子器件和软基体的结构、材料进行力学设计,优化了在高压环境下机器人体内的应力状态。项目组研发的这台仿生深海软体机器人形似一条鱼,长22cm,翼展宽度28cm,大约为一张A4纸的长宽。控制电路电池等硬质器件被融入集成在凝胶状的软体机身中;通过设计调节器件和软体的材料与结构,实现了机器人无需耐压外壳,便能承受万米级别的深海静水压力。

软体机器人在测试在 110 MPa 的静水压力中测试

相比于传统的‘铠甲式’抗高压深潜装备,研究团队以全新技术路线研制仿生深海软体机器人,争取大幅降低深海探测的难度和成本。

创新“智能人工肌肉驱动”

深海机器人是如何实现推进的呢?机器人依靠的是自身携带的小型化能源控制系统及两翼中间椭圆形部位的介电弹性体人工肌肉(Dielectric elastomer,DE muscle)。当硅胶体中的电子器件产生电信号时,介电弹性体会在该电压信号的刺激下产生像肌肉一样的变形模式,“仿生机器鱼”的双翼就会随着肌肉的伸缩进行扑翼运动,驱动机器人前进。

高静水压下深海软体机器人游动测试

然而,要实现介电弹性体在深海中的驱动,还需克服在高压和低温条件下高分子材料的电驱动性能衰减问题。项目团队与浙江大学化学工程与生物工程学院罗英武教授团队合作,研制了一种能适应深海低温、高压等极端环境的电驱动人工肌肉,即便是在马里亚纳海沟的低温(0—4℃)、高压环境(110 MPa)下依旧能正常工作。“我们的另一个研究突破就在于设计了一种能在高压低温环境下依然能保持良好电驱动性能的电驱动智能软材料。”李铁风教授说。

总结来说,适应深海静水压力的软-硬融合机器系统,适用于深海高压低温环境的新型介电高弹体驱动器,两项技术突破造就了这台全新的仿生深海软体机器人。

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机器人设计与深海试验

软体机器人应用前景广阔

在研究历程中,系列的数值计算和大量的压力环境模拟实验已经验证了方案的可行性。为了进一步证实机器人在深海实地环境下的可靠性,在上海海洋大学、中科院深海所、大连海事大学、广东海洋地质调查局等单位的合力支持下,项目组研发的仿生机器人先后在马里亚纳海沟、中国南海等海域开展深海海试。

马里亚纳海沟10900米深海驱动

2019年12月,仿生深海软体机器人在马里亚纳海沟坐底,海试影像记录显示,在马里亚纳海沟10900米海深处,该机器人实现了稳定扑翼驱动。在2020年8月27日深夜,该软体机器人在南海3224m海深处成功实现了自主游动。

南海3224米深海自主游动

“我们的机器人在深海、极地、高冲击性等恶劣及特种环境下,具有良好的发展应用前景。”李国瑞表示。未来,项目组将继续研究深海软体智能设备的能源、驱动、感知一体化系统,提升仿生深海软体机器人的智能性,同时降低应用成本。”

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。

文章内容来源:之江实验室、仿生深海软体机器人项目组、浙江大学

原文标题:Nature封面!我国仿生软体机器人“打卡”地球最深海沟,遨游水下10900米!

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