探索海洋：我国自供电软体呆板人乐成探底马里亚纳海沟

海水覆盖了地球约71%的外貌积，海洋学者以为人类只探索了此中的5%。如今已知的海洋最深处位于西平静洋的马里亚纳海沟，约为10900 米。这里的水压高达1100个大气压，相称于将一辆小汽车的重量全压在指尖上。对于人类的工程装备而言，深海极高的环境压力也是一个严格挑衅，以是深海探索长期以来都是工程技能范畴的困难。


如今，计划良好的水下呆板人在深海任务中具有出色的机动性和功能性，勘探深度能到达3000~11000米，好比我国自主研发的“蛟龙号”和“奋斗者号”载人潜水器，在深海探矿、海底高精度地形丈量、可疑物探测与捕捉、深海环境与生物观察等任务中都饰演着关键脚色。


受深海生物特性的启发，来自浙江大学、之江实验室的科研团队及其互助者开辟了一种能用于深海探测的无线自供能软体呆板人，他们通过在马里亚纳海沟最深10900米处和南海最深3224米处举行实际测试，验证了这种呆板人具有极好的耐压和游泳性能。

图为钝口拟狮子鱼
| 灵感泉源于一种深海鱼


为了让实验水下探测与观察任务的人造潜水器可以或许深入海底，以往的计划计谋不绝是“硬碰硬”，即选用高强度的耐压金属外壳（如钛合金）或压力赔偿体系作为“盔甲”，以此来掩护内部机电体系。无论是深海遥控潜水器还是载人潜水器，都广泛接纳了这种技能。


随着水域越来越深，外壳的厚度和尺寸也须要相应提升，装备体积也会越来越大，因此传统的深海呆板人和载人深潜器都具有厚重的外壳。人类第一艘到达马里亚纳海沟的潜水器“的里雅斯特号”长度就高出15米，载人舱室就重达14吨。然而，比年来的深海生物科考希望为深海装备研究提供了极新的思绪。研究表明，在6000米以下的超深渊带如许的恶劣环境中，仍有数百种物种生存。在这些类群中，尤其以深海狮子鱼的分布最深、垂直分布跨度最大。


我国科研团队计划开辟的这款软体呆板人，灵感就是来自钝口拟狮子鱼。早在2014年，科学家就在马里亚纳海沟中约7000米处深度捕捉到了这种鱼类，据相识，钝口拟狮子鱼还创下了一项人类拍到活体鱼类的最深记录--8178米。


形态学研究表明，深海狮子鱼体内存在大量的胶状物质，这对于它们均衡表里压力具有告急作用。别的，它们的骨骼进化出了一些顺应于深海压力环境的特性：头部骨骼呈细碎状，分布在软构造中；绝大多数骨骼皆为软骨，有效低沉了硬质骨骼在高静水压下的局部应力会合。


受此深海狮子鱼启发，科研团队开展跨学科交织研究，接纳“以柔克刚”的计谋，突破性地提出机电体系软、硬共融的压力顺应原理，研制出了一种全新的深海软体呆板人。该软体呆板人摆脱了厚重的外壳，外表酷似一只深海狮子鱼。

软体呆板人与钝口拟狮子鱼对比图
| 软体呆板人内部结构


该软体呆板人的焦点计划正是参考了深海狮子鱼的两个特性：第一，摒弃了粗笨的抗压外壳，接纳软质有机硅质料作为重要躯干，将控制电路、电池等各种精密的电子元件匀称分散到柔软的硅树脂基体中，优化了高压环境下呆板人体内的受力环境，这种计划消除了对耐压外壳的需求，启发则是来自钝口拟狮子鱼分布的头骨。


第二，摒弃了传统潜水器电机--螺旋桨式的推进方式，无需思量这些传统推进器的密封标题。呆板人接纳了电驱动的鱼鳍状仿生推进翼，通过节律性地拍动推进翼让呆板人在海中进步。前一个特性很好地符合了深海狮子鱼顺应深海超高压的骨骼分布特点，后一个特性则鉴戒了深海狮子鱼等深海生物的鱼鳍。


在第二个特性中，鱼鳍状推进翼的活动则是靠一种叫作介电高弹聚合物的“人工肌肉”实现。这种质料能将电能转化为机器能，加上电压即可产生大变形。研究职员通过结构计划将“人工肌肉”质料制作成鱼鳍推进翼，并奇妙地利用了围绕在“人工肌肉”外的海水作为离子导电负极，由软体呆板人自带能源在“人工肌肉”表里侧周期性地产生电势差，让聚合物发生舒张与紧缩形变。如许一来，鱼鳍推进翼即可节律性地拍动，实现软体呆板人水中游动。别的，研究职员还针对深海的低温高压工况对“人工肌肉”举行了质料改进，办理了其电驱动本领衰减的标题，即便在马里亚纳海沟的低温（0~4摄氏度）、高压环境（1100个大气压）下也能正常工作。


该软体呆板人身长22 厘米（体长11.5厘米，尾长10.5厘米），展翅28厘米，约莫为一张A4纸的长宽。配有电力和控制电子装备，包罗锂离子电池、高压放大器、红外吸取器、放电电阻器和芯片。内置的2500毫安锂离子电池作为能量泉源，通过高压放大器对电源电压举行放大后，输出周期性电压，驱动人工肌肉变形举行扑翼活动，在布满电的环境下，呆板人的续航时间可达45分钟。


2019年12月，软体呆板人在马里亚纳海沟随深海着陆器下潜坐底10900米，并初次乐成实现了深海电驱动。在2020年7月我国南海的海试试验中，软体呆板人由无人潜水器携带到3224米的深度后，按预设步伐乐成实现了自由游动。

呆板人深海试验


| 困难与发展远景


研究职员表现，在海洋中部署这种计划的呆板人之前，另有很多工作要做。由于这项研究开辟的呆板人比之前报道的水下呆板人移动要慢，而且不能蒙受太多环境的干扰，好比它很容易被水下暗流冲走，其活动本领也须要针对实际应用举行优化。


从久远推测来看，人们可以推测海洋生物学研究的发展方向。深海软体智能体系具有很好的环境友好性、生物交互性和低本钱上风。通过搭载一系列功能性的深海柔性传感器和信息收罗模块，未来软体呆板人和软体呆板手可在深海原生态环境下，发挥无损检测、样本收罗、人-机-物交互等方面的独特上风，进一步为推动海洋监测、整理和防治海洋污染、掩护海洋生物多样性提供更多创新方案。更告急的是，它们可以资助科学家探索海洋深处的大片未知地带。


（图片泉源于网络）