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 。
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仿生机器鱼：海底1万米深 ， 就这？|编辑制图
作者 | 郭菲烟台大学
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 。
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 。
这项成就以封面报道的形式登上了2021年3月的《自然》杂志 。
难以企及的海底最深处
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 。
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 。
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 。
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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
【海沟|海洋新霸主诞生？软体机器鱼游入世界最深海沟】狮子鱼 ， 机器人的灵感来源
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 。
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 。
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 。
挑战深海高压 ， 仿生机器人以柔制刚
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 。
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 。
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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 。
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 。
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 。
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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 。
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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” 。
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 。
编辑 | 梁金 王晓非
责编 | 高佩雯
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