“钝口拟狮子鱼”畅游深海

　　软体机器人的吸引力在于它的灵活性和通用性，能弯曲和塑形，制成任何想要的形状。浙江大学之江实验室的科研团队及其合作者，于2021年3月4日研制出一款无需耐压外壳的仿生软体智能机器人。研究团队的灵感来自钝口拟狮子鱼，它创下了一项人类拍到活体鱼类的最深纪录——8178 米，可承受700千克/平方厘米的压力，表现出顽强的生存能力和灵活的移动能力。钝口拟狮子鱼身体呈流线型，表现出对深海环境的多种适应性，包括透明的皮肤、能拍打的胸鳍、巨大的胃、较纤细的肌肉、轻微骨化的骨骼和不完全封闭的颅骨。它的一个与骨骼钙化相关的基因发生了假基因化，使得其骨骼变得非常薄且能够弯曲。钝口拟狮子鱼的生育周期也大大延长，以便更好地在恶劣的环境下生存繁衍。
　　科学家把机器人设计成一个与钝口拟狮子鱼相似的软体，每侧有2个大鳍，大鳍前缘由较硬的材料制成，可以上下弯曲，其上还附着一层薄薄的柔性薄膜，帮助它提供推进力。该机器人全长 22 厘米（其中体长11.5 厘米，尾长10.5 厘米），翼展28 厘米。电力和控制电子设备包括锂离子电池、高压放大器、红外接收器、放电电阻器和微程序控制器等。“肌肉”位于软体和大鳍的交界处，由能将电能转换成机械功的材料构成，并固定在散热片上，它的收缩会使大鳍相对于软体向下拉。
　　传统的水下航行器需要金属材料制成的水密外壳，以承受深海高压，并且随着下潜深度要求的提高，外壳的厚度和尺寸也要增加。然而，这款机器人消除了对耐压外壳的需求。研究人员通过压力测试发现，如果精密的电子元件密集地封装在一块印刷电路板上，它们的接口处容易发生故障，而将其嵌入并分布在柔软的硅树脂基体中，可保护其免受高压影响。这种设计源于钝口拟狮子鱼头骨的分布，相较其他保护深海电子设备的方法更实用，成本也更为低廉。
　　科学家在机械驱动部分，选用了一种加上电压即可出现形变的电激活聚合物。这种介电弹性体（DE）成为机器人游动的关键。当施加交流电压时，周期性变形的DE“肌肉”使2个鳍产生拍打运动以推进游动。
　　为了测试该软体机器人的游动性能，研究人员首先在压力水腔中进行了试验。接着，他们在70米深的湖泊中进行了测试，机器人能够以3.16厘米/秒的速度自由游动。之后，在中国南海现场试验中，机器人由遥控潜水器携带到 3224 米的深度，在8千伏、1赫兹的交流电压的驱动下，以5.19厘米/秒的速度拍打双鳍运动，成功地实现了自由游动。最后，研究人员在马里亚纳海沟分别测试了机器人的双鳍拍打运动和克服压力阻力的能力。他们将机器人安装在深海着陆器上，机器人内部自带容量为 2500毫安的锂离子电池和高压放大器自动供电，可以产生0.5赫兹的7千伏、8千伏和9千伏的激励交流电压。最终结果显示，在没有耐压外壳压力容器的情况下，机器人扑鳍驱动保持了45分钟。
　　多次试验表明，这款无需耐压外壳的仿生软体智能机器人有极好的耐压和游泳性能。对此，外国机器人专家高度评价道：“这款软体智能机器人，达到了受生物启发的软体机器人所能实现的极限。”

“章鱼”完全不靠电驱动

　　在軟体机器人的制作方法中，最简单的是用3D打印，用柔软却有韧性的材料取代传统的刚性连接器和外壳。其中，液态硅橡胶最为引人注目，它具有流动性好、硫化快的特点，既可浇注成型，也可注射成型。美国哈佛大学科学家开发的有史以来第一台软体自主机器人Octobot，使用的就是液态硅橡胶。它只有手掌大小，不靠电驱动，而是通过化学反应产生的大量气体聚集压缩，借助压强变化，实现机械臂的运动。
　　研究团队最早设想的只是一个半柔性机器人，用常规的泵阀系统驱动，并且需要电缆连接机。后来，他们从章鱼身上找到灵感，不仅机器人的躯干和致动器使用的是柔性材料，而且控制系统和电源也使用柔性材料，无需再受外置电缆的牵制。经过5年攻关，他们终于使Octobot成为世界上首个全软体机器人，能扭曲着绕过障碍物。
　　Octobot的“大脑”部分设计有柔性微流体回路，可以用由压强激活的阀门和开关在通道内传导浓度为50%的过氧化氢溶液。在铂金属粉末的催化下，这种液体燃料会快速生成大量的水和氧气。由于生成物的体积大于原来反应物的体积，通道内的压强由此产生改变，使Octobot的机械臂在突然增大的压强的影响下膨胀舒展，进行运动。与此同时，排气孔保证氧气最终会通过它排出。

　　为了使Octobot能保持一段时间的自主运动，研究团队设计时把它的8只机械臂分为2批（4只机械臂为一批），机械臂中设置了阀门和开关。启动前将过氧化氢分别注入到2个储液槽中，这2个储液槽分别对应一批机械臂。注入后，储液槽会像气球一样慢慢膨胀，并利用压强差使过氧化氢通过微流体回路。这时，压强的变化会使一些机械臂的控制点打开，其余的则会关闭，以此确保同一时间只有一半机械臂流通燃料。随着燃料的消耗，流通燃料的机械臂内部压强会增大，使得燃料转而流向另外一半原本关闭通道的机械臂。如此往复，通过精巧的阀门开关设计，利用不断变化的压强差，使Octobot的机械臂在一段时间内能保持自主运动。