科技日报记者 朱 虹
在4070米深的幽暗海山区，一条长约32厘米、翼展宽约18厘米、重量仅670克的“软体鱼”正在灵活巡弋。这条特殊的“鱼”，是哈尔滨工程大学船舶工程学院教授李国瑞课题组的最新研究成果——电液驱动深海软体机器人。近日，这项研究成果以“塑化电液软体机器人深海自主翱翔”为题发表于国际学术期刊《科学·机器人》上，并同时登上《科学》官网首页的专题报道页面。
将电场力转化为驱动力
深海作为地球上最大的未知疆域，是人类探索生命起源、进行资源勘探和研究气候演化等关键问题的前沿阵地。但探索这片幽暗深渊绝非易事，其高压、低温等极端环境时刻挑战着人类科技的极限。同时，如何平衡高昂的探索成本、装备的可靠性与深海脆弱生态的保护，也是横亘在科研人员面前的难题。
2022年，李国瑞课题组从麦克斯韦“电致流动”这一经典物理现象中获得灵感，开启了电液驱动深海软体机器人的研究。团队利用静电场控制介电液体有序流动，成功把电场力转化成了柔性电液单元的驱动力。
课题组设计的柔性电液单元由薄膜外壳、柔性电极和内部的介电液体组成。在电场力作用下，介电液体定向流动，能精确驱动柔性电液单元产生可控的形变。团队系统研究了这种柔性电液单元在高压、低温条件下的力电耦合变形效果，让机器人具备了良好的大变形能力。
不过，深海的高压和低温会让软材料变硬，这将严重影响柔性电液单元的变形力和机器人的机动性。针对这个瓶颈，团队发现了柔性电液单元介质的液—固塑化机制，提出了“电液、塑化介质一体化”解决方案。这个方法既能保证柔性电液单元产生大变形，又能维持其弹性，突破了深海高压和低温对于软材料的双重限制，显著提升了机器人在极端环境下的机动能力。
可适应深海复杂环境
这款电液驱动深海软体机器人的机身集成了控制电路、传感器、电池等元件。课题组对机器人的软体驱动器、光学传感器、电子元件和软基体等进行了力学优化，使得机器人在深海高压环境下，体内的应力状态更稳定。更巧妙的是，柔性电液单元内部的介电液体能与深海海水压力自动平衡，使机器人可以适应全海深的压力环境，不用额外的耐压外壳就能承受全海深的静水压力。
机器人通过自带的小型化能源控制系统驱动柔性电液单元协同工作。当软基体中的电子器件产生高压电信号时，柔性电液单元会在电压信号的作用下，产生类似“流体静力骨骼”的变形模式，让机器人在深海中实现直行、转弯等多种运动轨迹。
此外，这款软体机器人还集成了微型深海光学感知系统，能在深海极端环境下实时感知自身运动状态和周围环境。
为了进一步证实该机器人在深海实地探测作业中的可靠性，在广东智能无人系统研究院、广州海洋地质调查局、浙江大学、中国船舶科学研究中心等单位的联合支持下，课题组研发的深海软体机器人先后在南海的海马冷泉区、海山区等海域开展了多次海试验证。
2024年6月13日深夜，团队研制的深海软体机器人在南海3176米深度完成布放。海试影像显示，机器人在深海复杂水流环境下完成了复杂轨迹运动、近底感知探测、自主姿态调控、返航等一系列任务，证实了它在深海极端压力和复杂流动环境下的可靠机动性和感知能力。
同年7月4日至6日，这款深海软体机器人在海马冷泉区完成了多次布放，成功实现了约1369米深海环境下的低扰动探测任务。随后，机器人搭载“海星”号6000米级深海ROV，在约4070米深度的海山区开展了航行试验，探索了深海潜水器和小型深海软体机器人协同作业，实现大范围、低扰动深海探测的可行性。
此外，为了验证这款软体机器人与水下环境的生态融合性，课题组还利用它开展了海洋生态环境和群落的原位、近距离行为观测。“经过多次海试的严苛考验，这款软体机器人展现出良好的机动性、可靠的极端环境适应性和低扰动探测能力，有望为深海生态观测贡献力量。”课题组核心成员沈鹏说。
目前，团队正开展小型化深海软体机器人的驱动、感知、通讯一体化集成及群体智能等方向的探索。
李国瑞表示，未来，团队将持续突破极端环境下柔性装备的材料耐久性、系统可靠性、智能化水平等关键挑战，为深海柔性装备探测作业拓展更广阔的应用空间。比如，可以利用群体化的深海软体机器人低扰动地融入深海生物群落或矿区进行原位探测；也能利用深海软体机器手实现脆弱样本的无损采集、精细操纵与安全交互等。
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