浙大机器鱼登Nature封面!将探索地球最深海沟 (组图)

投稿时间:2021-03-04  消息来源:  提交者:洪门小拳

让指尖承受1吨重量,这样的压力能Hold住吗?

来自浙大的机器鱼,就确实做到了——不仅承受住了10000米深海的巨大压强,还在其中自如游动了45分钟。

而且只有这么小(身长22厘米,展翅28厘米):



在以往,科学家们要是想探索万米以下的海沟,所采用的装置通常得这么大:



这些装置材料不仅得有足够的强度(如钛合金)、厚度,或是自带巨大的压力补偿系统,才能承受住万米深海的重压。

浙大的这条机器鱼,打破了传统深海探测装置“硬刚”的方法,首次实现了在万米深海中,自能源软体机器人自主游动的能力。

这项研究,现在登上了Nature封面。



为什么这么能抗压?

传统的水下航行器,通常需要用高强度金属材料来制成外壳,对航行器进行保护。

随着水域越来越深,外壳的厚度和尺寸也需要得到相应提升,机器就会越来越大。

然而,在海洋最深处的马里亚纳海沟,却仍然生存着数百种生物,其中就包括一种名为钝口拟狮子鱼(Pseudoliparis swirei)的生物,体型并不大。



这种狮子鱼没有坚硬的外壳,却还能在水中自如游动。

从图中可以看见,它的头部非常大,但能承受住深海的重压。



这是怎么做到的?

研究人员对它的身体结构进行了分析,发现这种鱼的骨骼,细碎地分布在柔软的凝胶状身体中。

这也解释了为什么传统电路结构在深海中极易出现故障——

通常,运行机械系统的电路结构,会被密集地封装在一整块印刷电路板(PCB)上,一旦承受的压力增大,电路板接口就容易出问题。

例如,下图是一块完整的电路板。如果施压过大,电路板和电路元件之间的接口就非常容易损坏。



但如果将电路板,像鱼的骨骼那样“拆开打碎”,分装在几个更小的电路板中呢?



事实证明,这样做所带来的效果非常显著,将压力分散到了更小的电路板中。

但这样还不够,因为电路板上的元件分布太密集,不足以承受深海中的压力。

研究人员又重新设计了电路,尽可能将元件分散,将相邻元件之间的距离增加了6倍,变成2.4mm(图中d的大小)。



这样,做出来的电路结构,在硅树脂(电绝缘、耐温、防水)的包裹下,能承受巨大的压力。

除此之外,还得让鱼在高压下前行。

为了达成这一目的,研究人员想到了用电势差的方法:利用海水作为离子导电负极,用机器鱼自带能源在“翅膀”内外侧产生电势差。



这样,人工“翅膀”(高分子薄膜)就能发生形变,使得翅膀上下拍动,推动机器鱼前行。



这项研究由浙大的李铁风团队完成,共同一作为浙大研究员李国瑞、博士研究生陈祥平和周方浩。

在这个机器鱼实现之前,还没有科学家在深海实现过这种自供能驱动的软体机器人。

李国瑞表示:“这种软体机器人无需耐压外壳,便能承受万米级深海静水压力,大幅降低了深海探测的难度和成本。”

曾发明最快仿生软体机器鱼事实上,早在2017年,李铁风团队就曾经制造过当时世界最快的仿生软体机器鱼,研究登上Science子刊。



这种机器鱼参考了蝠鲼的设计,全长9.3厘米,可以以每秒6厘米的速度,游上3小时。



同样,它也采用了“电子肌肉”的设计:上下两层是透明高弹体薄膜,中间是导电材料。



随着“电子肌肉”通电,这条软体机器鱼就能在红外线的操控下,实现前进等各种动作。



而且,这种鱼类的主要结构,还能通过3D打印技术直接成型。

“科研就像升级打怪一样”这项研究的共同作者有三位,分别是浙大之江实验室的高级研究员李国瑞、博士研究生陈祥平、周方浩,通讯作者为李铁风。



△主要作者李国瑞,陈祥平,周方浩,梁艺鸣与李铁风,图源浙江大学


发明这个深海软体机器鱼的想法,源于李铁风和李国瑞在机器人顶会ICRA上的一次讨论。

这在当时,提出这样的设想,会面临非常大的压力,因为此前,还没有人成功做出过这样的软体机器人。

过程中,李国瑞失败过很多次,自述“每半个月就会做一次机器压力测试,做前都是信心满满。然而,几乎每次都会出现各种各样的问题。”



△图源之江实验室


而且,在马里亚纳海沟实施最终海试时,团队还在南海遇到了超强台风。

但最后,团队还是克服困难,成功完成了深海测试。

李国瑞形容,科研过程就像是“升级打怪”,遇到各种bug,都是非常正常的事情。

他认为,每解决一个bug,都可以看成是向成功前进一步,如果不放弃,就能实现最终的目标。

论文地址:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03153-z

参考链接:

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/kDfg81sNLt-izjP6xZlmNw

[2]https://www.nature.com/articles/d41586-021-00489-y

[3]https://advances.sciencemag.org/content/3/4/e1602045

   顶一下    踩一下

共有 条评论

评论内容

记得先输入验证码,再发布评论哦!(点击验证码小图可以更新)