北航新聞網3月20日電(記者 馮浩)在地球最深處馬里亞納海溝的萬米深淵，壓強相當于一個指甲蓋上站了一頭一噸重的犀牛，溫度接近冰點，此前，能到達這里的深海機器人多為重量達數噸的剛性體大型潛航器，而對身長1米以內的小型機器人來說，這里的極端環境曾是“禁區”，會使它們“肌肉僵化”、舉步維艱。

　　如今，一臺身長不到50厘米、體重僅1500克的“小精靈”翩然而至，在深海高靜水壓下行若無事，身形矯健、行動自如，它時而擺動尾鰭如游魚穿梭，時而展開背鰭如海燕滑翔，甚至能將尾鰭變化成腿，在海底“漫步”。

　　這一能在萬米深海實現多模態運動的小型深海可變形機器人，由北京航空航天大學機械工程及自動化學院研究團隊聯合中科院深海所、浙江大學歷經6年共同研發，深海小型多模態機器人研究成果于3月20日發表在國際學術頂刊《科學·機器人》(Science Robotics)，為深海探索帶來了更多可能性，成果同時被Science Robotics官網首頁大圖介紹。

論文首頁截圖

　　仿生靈感 深海生物多模態運動的智慧啟迪

　　大自然是人類最偉大的導師，深海生物在極端環境下展現出的適應性和多樣性，為科研團隊提供了寶貴的仿生靈感。蝙蝠魚是深海世界的“舞者”，通過巧妙的鰭肢運動，在深海中自由游弋、行走。研究團隊正是從蝙蝠魚的運動模式中汲取靈感，設計出能夠游動、滑翔、爬行的多模態機器人，并利用手性雙穩態超材料結構實現0.75s內的游動-走動快速轉換，適應不同的海底地形和任務需求。

　　在游動模式下，機器人通過尾鰭的擺動產生推力，如魚得水般穿梭，最高速度可達5.5cm/s;在滑翔模式下，展開的背鰭利用水的升力實現長距離滑行，宛如深海中的海燕，輕盈而優雅;在爬行模式下，機器人利用各向異性足部設計，能夠實現3cm/s的沙地行走，穩健而靈活。這種多模態運動能力，使機器人能夠在復雜的深海環境中靈活應對，完成多樣化的任務，成為深海探索的多面手。

　　核心突破 深海極端環境中的柔性“風火輪”

　　“10000米深海壓強對于小機器人來說，相當于壓了一座小型冰山”，北航研究團隊負責人文力教授的比喻，生動地揭示了深海小機器人在研發過程中面臨的最大難題之一。在深海的高壓下，柔性驅動器材料的模量增加，類似肌肉的“僵化”，會導致驅動幅值與速度的衰減，削弱機器人的運行性能。為了克服這一挑戰，在多次嘗試之后，研究團隊設計出了全新的深海驅動裝置：利用雙穩態手性超材料結構在兩個穩態之間切換時的快速突跳(snap-through)，實現高效驅動。這種快速突跳的速度和幅度會隨著結構材料模量的增加而增加，巧妙地將深海高壓對軟材料的負面影響扭轉為正面影響，從而“化腐朽為神奇”，成為提升機器人驅動性能的助力，克服了以往柔性材料驅動器在深海環境下性能衰減的困難，使得機器人在深海中能夠實現更高的驅動速度和幅度，如同深海中的“風火輪”，在壓力中釋放出驚人的動力。

　　針對2-4℃低溫這一深海環境帶來的另一難題，研究團隊巧妙利用在低溫環境下可實現高頻循環主動變形的形狀記憶合金進行拮抗驅動。利用形狀記憶合金的形狀記憶效應，通過周期性電流加熱使一對形狀記憶合金彈簧主動交替收縮，驅動手性超材料單元的雙穩態突跳切換，從而實現驅動器的快速循環擺動。進一步，通過有限元仿真、實驗室環境測試及高壓罐實驗等方法，系統優化了驅動器關鍵結構參數，最終實現了靜水壓力對驅動性能的正向強化，顯著提升了驅動器的擺動速度與幅值。最后，通過硅油填充的硅膠管、柔性油囊等封裝技術，實現了形狀記憶合金驅動器、電路板和能源系統的壓力自補償封裝。

　　深海實驗 從實驗室到深海的性能超越

　　為了驗證機器人的性能，研究團隊在多個深海地點進行了實地測試。在幾年的測試時間中，機器人搭載“深海勇士號”和“奮斗者號”載人深潛器完成了包含海馬冷泉(1384m)、龍西海山(3756m)和馬里亞納海溝(10666m)在內的多地形、全海深的共計14次部署測試。在3756m深海下，驅動器的驅動性能超越了實驗室的性能，在擺動幅度上得到了24.9%的提升。在1384m深海的游動(33.7 mm/s)、滑翔(72.1 mm/s)、爬行(21.5 mm/s)的多模態運動速度與常溫常壓下(游動33.1 mm/s、滑翔56.9 mm/s、爬行21.5 mm/s)的表現相當。深海低溫高壓下機器人的運動性能可以媲美甚至超越實驗室常溫常壓下的運動性能，并成功實現了預期的多模態運動。

　　穿戴式柔性抓手 深海作業的好助手

　　針對深海無法對軟體生物安全抓取的難題，研究團隊利用手性超材料單元的壓-扭耦合效應提出了一種穿戴式深海柔性抓持器設計方法。在抓持器接觸面上引入分布式微型手性結構，降低了被抓物體表面的接觸應力集中，提高了抓持安全性。當穿戴在傳統剛性手上，通過剛性手的線性開合驅動，該抓持器能夠輸出51.8N的切向抓持力，并在楊氏模量從104到109Pa的物體上都保持了較低的接觸應力(<33 kPa)。該抓手搭載于“奮斗者號”和“深海勇士號”載人深潛器上，成功完成了3400米深海環境下對軟體海洋生物(海星、海參、海膽)的無損抓取和采樣，移動噸級著陸器，開箱操作等一系列深海任務。

　　目前，團隊正朝著深海柔性機器人+AI的研究方向努力，為深海智能作業提供更廣闊的空間。從實驗室水池到馬里亞納海溝再到成果發布，這條研發之路至今走了整整6年。經歷過南海測試時風浪打碎機體的至暗時刻，也享受過萬米海底首秀成功的歡呼雀躍，正如團隊成員、北航機械工程及自動化學院博士研究生、深潛人員左宗灝所說：“深海科研的魅力在于未知帶來的挑戰，每次下潛的機會都彌足珍貴，但永遠相信只要敢邁步，海底也會有光。”

北航參試學生左宗灝隨“深海勇士號”載人深潛器下潛測試

　　未來，研究團隊將致力于聚焦提升深海小型機器人的續航能力和運動效率，實現更大范圍的深海探測和監測，為海洋資源開發、考古發掘、環境監測等領域提供更多的北航方案、中國方案。

　　潘飛、劉嘉琦、左宗灝、何夏為本論文的共同第一作者，機械工程及自動化學院文力教授與丁希侖教授為本論文的通訊作者。北航為本論文的第一單位及通訊單位。本研究得到了青年科學基金項目(A類)和創新研究群體等項目的資助。

　　論文發表鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adp7821

　　日前，文力教授憑其在仿生機器人、軟體機器人及海洋機器人等領域的學術貢獻，榮膺Science Robotics期刊新一屆編輯與咨詢委員會(Editorial and Advisory Boards)委員(全球共25名科學家入選)。

　　這支來自北航的深海研究團隊正在嘗試用科技之翼點亮深淵，或許在不遠的將來，當我們在紀錄片中看到成群深海機器人穿梭在神秘海溝間，會想起這個在實驗室里迭代調試，在科考船上等待數據的科研團隊。