|
3 N# g( P0 k/ H) V/ O$ J- A# i5 N 仿生软体机器人，或许会像无人机颠覆空战格局一般，成为海洋探测领域超越传统深潜机器人的霸主。 5 Y( x( P/ Z( A# i# v2 c, g# z0 {
仿生机器鱼：海底1万米深，就这？|编辑制图来源 | 科普研习社 微信公众号
* [0 ]5 }* c" T* M- ~$ p 作者 | 郭菲 烟台大学
8 N _* I$ e$ B& c, k/ W 海洋的深处有什么？在幽深的海底，各种奇特的生物引人遐想。但对于人类，深海探索长期以来都是工程技术领域的难题，各种人造结构想要抵御深海压力，就不得不首先具备厚重的承压外壳。 5 w; U% k' l9 d: V; U( R
不过，一群来自浙江大学和之江实验室的中国科学家却反其道而行之，他们从一种神奇的深海鱼类身上汲取设计灵感，制作了以柔性结构作为主体的深海机器人，它成功克服1000个大气压的极端高压，在10900米的世界最深海沟底部自在游动。
]) X& |7 Y0 W 这项成就以封面报道的形式登上了2021年3月的《自然》杂志。
6 K$ E2 `" N- _7 v8 t 难以企及的海底最深处# Z3 |, R; {5 Z0 z( R' X
由于探索困难，人类对深海知之甚少，这片广阔的领域实际上仍然是尚待开发的处女地。海洋地理学上把6000米以下深度的海洋称为超深渊带，这里物种的数量与多样性都无法和浅海地区相提并论。
0 H- }6 G8 o7 F# ^/ a" z9 e 1960年，人类的足迹首次达到地球洋底最深处——距离海平面10900米的马里亚纳海沟底部。这里的水压大约为103兆帕，相当于海平面大气压的1000倍。形象一点说，这个数值下的压强好比是一头北极熊站在一张邮票上，或者相当于一个人背着50架波音737客机。
* U! W! U9 j y N7 ~ 如此巨大的压力对于人类现有的工程设备而言是一个严酷挑战，因此传统的深海机器人和载人深潜器都具有厚重的外壳，即便如此，也仍然要冒着因材料或者结构缺陷造成外壳溃破的风险。正因为难度如此之高，人类突破深海与进军太空的时间，基本处于同一年代。 2 M6 K% l# e7 q% ~( a# ]
深海的巨大压力，对传统机器人和深潜器是严苛的挑战。｜图虫创意狮子鱼，机器人的灵感来源
, Z3 ]& V0 g7 |' T Z; ] 不过，对于人类而言至难的伟业，对于深海鱼类来说却是稀松平常的事。目前，鱼类捕获深度的世界纪录保持者是一只神女底鼬鳚，它于1970年在波多黎各海沟8370米深处通过拖网方式被捕获。神女底鼬鳚在全球深海海域都有分布，但科学家在那之后一直未在8000米海域发现它的生存迹象。因此，这位世界纪录保持者很可能生活在更浅的水域，只不过是当时恰好被拖网带到了8370米深。
7 D7 f w# L3 Y7 h& d' V, Q+ q 真正日常栖息在8000米深处的鱼类，于2014年首次现身于人类的视野，就是当下深海生物界的当红炸子鸡——深海狮子鱼。它通体呈现粉白色，通常长度约为30厘米，体重约160克，样子看上去像一只巨大的蝌蚪。在马里亚纳海沟部分8000米深处的洋底，深海狮子鱼是食物链顶端的猎食者，平时以生活在洋底的甲壳类为食，在其所栖息的海域并不算是稀有物种。 / C' i- W5 s0 ]( u' I6 A& n \2 \6 W
深海脊椎动物头号“抗压王”——狮子鱼。｜维基百科深海狮子鱼的极限抗压能力令人咋舌，经过研究，其体内存在大量的胶状物质，这对于它们平衡内外压力具有重要作用。另外，它们的骨骼进化出了一些适应于深海压力环境的特征。除了保护大脑的一部分头骨，它的绝大多数骨骼皆为软骨，且骨骼衔接位置留有大量空隙，这些空隙可以极大地中和施加到骨骼上的压力。
$ J( M( P! Q) x5 s 挑战深海高压，仿生机器人以柔制刚; T$ x7 x/ U: D* Z$ P8 v. k1 L k
深海狮子鱼这一物种被发现后，短短数年间就引发了科学家的强烈兴趣，这其中既有致力于揭示其解剖结构和起源演化的生物学家，也有致力于利用其作为灵感来进行深潜机器人设计的工程学家。
. ~, o( H: S! I( w# v0 K# g: ]) h9 S# p 该物种最早的发现人之一就曾在2018年利用3D打印技术制造了一只硅胶机器人版的深海狮子鱼。但这只机器鱼功能十分单一，而且设计它的最初目的还是为了研究深海狮子鱼的生理结构。
# U/ X \8 ?% d2 D9 z; W 3D打印制成的机器狮子鱼｜@STACY FARINA AND M. GERRINGER/FRIDAY HARBOR LABS/UNIV. OF WASH.不过，这次中国科学家更好地借鉴了深海狮子鱼的过人之处，发展出了一种全新的深海机器人。
" a+ L" T* ^ x7 D# |& t 其核心设计思想正是参考了深海狮子鱼适应深海的两大特征：第一，摒弃了笨重的抗压外壳，采用软质有机硅材料作为主要躯干，以柔克刚；第二，将各种电子部件均匀分散到身体各处，以实现最大限度的压力平衡，同时防止各组件在受到外壳变形后相互挤压失效。 2 o- b. {* ^) t( \8 Y
这个仿生机器人的另一大亮点是拥有一对鱼鳍状的推进翼，扇动推进翼就能让机器人在海中前行。虽然这一设计同样借鉴于深海狮子鱼的两片胸鳍，但必须指出，后者的胸鳍其实并非起推进作用，它们的运动方式其实非常类似于蝌蚪。 / W0 g2 {, M6 I
仿生深潜机器人和其借鉴的对象（示意图）｜LI ET AL/ NATURE 2021目前，该机器人已经在70米水深的湖中、3000米水深的南海，以及接近11000米的马里亚纳海沟底部进行了一系列实验。前两种情形下，机器人完成了仅依靠推进翼的自主游动，而在马里亚纳海沟完成的实验中，科学家们用深潜器的机械手将其进行了部分固定。
6 A7 K Y7 B. f( a* e+ Z0 Z% M
) Y: }/ z; Z3 g _
& |9 K4 s+ f( w1 q4 f 软体机器鱼和深海虾、硬质机械臂同框｜LI ET AL/ NATURE 2021不过，该仿生机器人还存在至少两点尚待改进之处：首先，它的游速比同类深潜机器人慢的多；另外，它还没有足够的动力对抗激烈的海流。不过，学术界仍然对它的未来寄予厚望，作者总结称，“下一步的工作将专注于开发软体轻质的材料和结构，让用于极端条件下的装置具有更好的智能性、通用性、操纵性和效率”。 & E) {: s7 `9 ]+ z
未来，类似的仿生深海机器人不仅将拥有灵活运动的能力，还将具备多种本领，例如探测海水成分、拍摄深海生物照片及视频、收集样品并返回海面等。它们在成本上的显著优势，将很有可能像无人机颠覆空战格局一般，成为海洋探测领域超越传统深潜机器人的霸主。 " b. d7 A) c, @+ t
编辑 | 梁金 王晓非
/ B2 H2 S1 ~% f( C7 Y# n } 责编 | 高佩雯
/ e, R, |" v, g4 S 参考文献
6 |7 f+ Q: d9 [ J( _& x [1] https://www.nature.com/articles/d41586-021-00489-y ; K& t7 |- A; |, F& X
[2] https://www.nature.com/articles/s41586-020-03153-z 4 p8 l0 E* A. `" N7 H
文章由“科普研习社”（ID：cspbooks）公众号发布，转载请注明出处。
" a' E2 v" S! }
3 q, h7 W2 P) m6 R" ?2 V! n. F- B/ `- _+ c% `* P) w! a& b
+ i* p- P$ c i2 {2 C& J
* f6 b5 @1 r2 H$ P" P7 e6 f
| 
