中國教育報-中國教育新聞網(wǎng)訊（通訊員 馮浩 記者 梁丹）在地球最深處——馬里亞納海溝的萬米深淵，壓強(qiáng)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(dá)這里的深海機(jī)器人，多為重量達(dá)數(shù)噸的剛性體大型潛航器，對于身長1米以內(nèi)的小型機(jī)器人而言，這里的極端環(huán)境會使它們“肌肉僵化”、舉步維艱，曾一度是“禁區(qū)”。

如今，一臺身長不到50厘米、體重僅1500克的“小精靈”翩然而至，在深海高靜水壓下安然無事。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”。

這一能在萬米深海實現(xiàn)多模態(tài)運動的小型深海可變形機(jī)器人，由北京航空航天大學(xué)（以下簡稱“北航”）機(jī)械工程及自動化學(xué)院研究團(tuán)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)而來，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(jī)器人》（Science Robotics），同時被Science Robotics官網(wǎng)首頁大圖介紹。

據(jù)了解，研究團(tuán)隊從蝙蝠魚的運動模式中汲取靈感，設(shè)計出了這一能夠游動、滑翔、爬行的多模態(tài)機(jī)器人：在游動模式下，機(jī)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(dá)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(jī)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(jī)器人能夠在復(fù)雜的深海環(huán)境中靈活應(yīng)對，成為深海探索的多面手。

“10000米深海壓強(qiáng)對于小機(jī)器人來說，相當(dāng)于壓了一座小型冰山?！碧崞鹧邪l(fā)過程中面臨的壓強(qiáng)難題，北航研究團(tuán)隊負(fù)責(zé)人文力教授打了個生動的比喻。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(jī)器人的運行性能。

為了克服這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)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(fù)面影響扭轉(zhuǎn)為正面影響，“化腐朽為神奇”，成為提升機(jī)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(jī)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。

針對2-4℃低溫這一深海環(huán)境帶來的另一難題，研究團(tuán)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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。

為了驗證機(jī)器人性能，研究團(tuán)隊在多個深海地點進(jìn)行了實地測試。在幾年的測試時間中，機(jī)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。

目前，團(tuán)隊正朝著深海柔性機(jī)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。未來，研究團(tuán)隊將致力于聚焦提升深海小型機(jī)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。