圖為電液驅(qū)動(dòng)深海軟體機(jī)器人。受訪單位供圖

在4070米深的幽暗海山區(qū)，一條長約32厘米、翼展寬約18厘米、重量僅670克的“軟體魚”正在靈活巡弋。這條特殊的“魚”，是哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院教授李國瑞課題組的最新研究成果——電液驅(qū)動(dòng)深海軟體機(jī)器人。近日，這項(xiàng)研究成果以“塑化電液軟體機(jī)器人深海自主翱翔”為題發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)·機(jī)器人》上，并同時(shí)登上《科學(xué)》官網(wǎng)首頁的專題報(bào)道頁面。

　　將電場力轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)力

　　深海作為地球上最大的未知疆域，是人類探索生命起源、進(jìn)行資源勘探和研究氣候演化等關(guān)鍵問題的前沿陣地。但探索這片幽暗深淵絕非易事，其高壓、低溫等極端環(huán)境時(shí)刻挑戰(zhàn)著人類科技的極限。同時(shí)，如何平衡高昂的探索成本、裝備的可靠性與深海脆弱生態(tài)的保護(hù)，也是橫亙在科研人員面前的難題。

　　2022年，李國瑞課題組從麥克斯韋“電致流動(dòng)”這一經(jīng)典物理現(xiàn)象中獲得靈感，開啟了電液驅(qū)動(dòng)深海軟體機(jī)器人的研究。團(tuán)隊(duì)利用靜電場控制介電液體有序流動(dòng)，成功把電場力轉(zhuǎn)化成了柔性電液單元的驅(qū)動(dòng)力。

　　課題組設(shè)計(jì)的柔性電液單元由薄膜外殼、柔性電極和內(nèi)部的介電液體組成。在電場力作用下，介電液體定向流動(dòng)，能精確驅(qū)動(dòng)柔性電液單元產(chǎn)生可控的形變。團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了這種柔性電液單元在高壓、低溫條件下的力電耦合變形效果，讓機(jī)器人具備了良好的大變形能力。

　　不過，深海的高壓和低溫會(huì)讓軟材料變硬，這將嚴(yán)重影響柔性電液單元的變形力和機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性。針對這個(gè)瓶頸，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了柔性電液單元介質(zhì)的液—固塑化機(jī)制，提出了“電液、塑化介質(zhì)一體化”解決方案。這個(gè)方法既能保證柔性電液單元產(chǎn)生大變形，又能維持其彈性，突破了深海高壓和低溫對于軟材料的雙重限制，顯著提升了機(jī)器人在極端環(huán)境下的機(jī)動(dòng)能力。

　　可適應(yīng)深海復(fù)雜環(huán)境

　　這款電液驅(qū)動(dòng)深海軟體機(jī)器人的機(jī)身集成了控制電路、傳感器、電池等元件。課題組對機(jī)器人的軟體驅(qū)動(dòng)器、光學(xué)傳感器、電子元件和軟基體等進(jìn)行了力學(xué)優(yōu)化，使得機(jī)器人在深海高壓環(huán)境下，體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)更穩(wěn)定。更巧妙的是，柔性電液單元內(nèi)部的介電液體能與深海海水壓力自動(dòng)平衡，使機(jī)器人可以適應(yīng)全海深的壓力環(huán)境，不用額外的耐壓外殼就能承受全海深的靜水壓力。

　　機(jī)器人通過自帶的小型化能源控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)柔性電液單元協(xié)同工作。當(dāng)軟基體中的電子器件產(chǎn)生高壓電信號(hào)時(shí)，柔性電液單元會(huì)在電壓信號(hào)的作用下，產(chǎn)生類似“流體靜力骨骼”的變形模式，讓機(jī)器人在深海中實(shí)現(xiàn)直行、轉(zhuǎn)彎等多種運(yùn)動(dòng)軌跡。

　　此外，這款軟體機(jī)器人還集成了微型深海光學(xué)感知系統(tǒng)，能在深海極端環(huán)境下實(shí)時(shí)感知自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和周圍環(huán)境。

　　為了進(jìn)一步證實(shí)該機(jī)器人在深海實(shí)地探測作業(yè)中的可靠性，在廣東智能無人系統(tǒng)研究院、廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局、浙江大學(xué)、中國船舶科學(xué)研究中心等單位的聯(lián)合支持下，課題組研發(fā)的深海軟體機(jī)器人先后在南海的海馬冷泉區(qū)、海山區(qū)等海域開展了多次海試驗(yàn)證。

　　2024年6月13日深夜，團(tuán)隊(duì)研制的深海軟體機(jī)器人在南海3176米深度完成布放。海試影像顯示，機(jī)器人在深海復(fù)雜水流環(huán)境下完成了復(fù)雜軌跡運(yùn)動(dòng)、近底感知探測、自主姿態(tài)調(diào)控、返航等一系列任務(wù)，證實(shí)了它在深海極端壓力和復(fù)雜流動(dòng)環(huán)境下的可靠機(jī)動(dòng)性和感知能力。

　　同年7月4日至6日，這款深海軟體機(jī)器人在海馬冷泉區(qū)完成了多次布放，成功實(shí)現(xiàn)了約1369米深海環(huán)境下的低擾動(dòng)探測任務(wù)。隨后，機(jī)器人搭載“海星”號(hào)6000米級(jí)深海ROV，在約4070米深度的海山區(qū)開展了航行試驗(yàn)，探索了深海潛水器和小型深海軟體機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)大范圍、低擾動(dòng)深海探測的可行性。

　　此外，為了驗(yàn)證這款軟體機(jī)器人與水下環(huán)境的生態(tài)融合性，課題組還利用它開展了海洋生態(tài)環(huán)境和群落的原位、近距離行為觀測。“經(jīng)過多次海試的嚴(yán)苛考驗(yàn)，這款軟體機(jī)器人展現(xiàn)出良好的機(jī)動(dòng)性、可靠的極端環(huán)境適應(yīng)性和低擾動(dòng)探測能力，有望為深海生態(tài)觀測貢獻(xiàn)力量?！闭n題組核心成員沈鵬說。

　　目前，團(tuán)隊(duì)正開展小型化深海軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)、感知、通訊一體化集成及群體智能等方向的探索。

　　李國瑞表示，未來，團(tuán)隊(duì)將持續(xù)突破極端環(huán)境下柔性裝備的材料耐久性、系統(tǒng)可靠性、智能化水平等關(guān)鍵挑戰(zhàn)，為深海柔性裝備探測作業(yè)拓展更廣闊的應(yīng)用空間。比如，可以利用群體化的深海軟體機(jī)器人低擾動(dòng)地融入深海生物群落或礦區(qū)進(jìn)行原位探測；也能利用深海軟體機(jī)器手實(shí)現(xiàn)脆弱樣本的無損采集、精細(xì)操縱與安全交互等。