科技日?qǐng)?bào)記者 操秀英

在地球最深處馬里亞納海溝的萬米深淵，壓強(qiáng)相當(dāng)于一個(gè)指甲蓋上站了一頭一噸重的犀牛，溫度接近冰點(diǎn)。此前，能到達(dá)這里的深海機(jī)器人，多為重量達(dá)數(shù)噸的剛性體大型潛航器。如今，一臺(tái)身長(zhǎng)不到50厘米、體重僅1500克的“小精靈”來到這一曾經(jīng)的小型機(jī)器人“禁區(qū)”，為深海探索帶來更多可能性。相關(guān)研究成果于3月20日發(fā)表于《科學(xué)·機(jī)器人》。

這一能在萬米深海實(shí)現(xiàn)多模態(tài)運(yùn)動(dòng)的小型深?？勺冃螜C(jī)器人由北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所、浙江大學(xué)歷時(shí)6年共同研發(fā)。研究團(tuán)隊(duì)從蝙蝠魚的運(yùn)動(dòng)模式中汲取靈感，設(shè)計(jì)出能夠游動(dòng)、滑翔、爬行的多模態(tài)機(jī)器人。

“10000米深海壓強(qiáng)對(duì)于小機(jī)器人來說，相當(dāng)于壓了一座小型冰山?！北焙窖芯繄F(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人文力教授說，在深海的高壓下，柔性驅(qū)動(dòng)器材料的模量增加，會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)幅值與速度的衰減，削弱機(jī)器人的運(yùn)行性能。為了克服這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了全新的深海驅(qū)動(dòng)裝置，利用雙穩(wěn)態(tài)手性超材料結(jié)構(gòu)在兩個(gè)穩(wěn)態(tài)之間切換時(shí)的快速突跳，實(shí)現(xiàn)高效驅(qū)動(dòng)。該裝置巧妙地將深海高壓對(duì)軟材料的負(fù)面影響轉(zhuǎn)化為提升機(jī)器人驅(qū)動(dòng)性能的助力，克服了以往柔性材料驅(qū)動(dòng)器在深海環(huán)境下性能衰減的困難。

同時(shí)，面對(duì)深海2℃—4℃的低溫環(huán)境，研究團(tuán)隊(duì)巧妙利用在低溫環(huán)境下可實(shí)現(xiàn)高頻循環(huán)主動(dòng)變形的形狀記憶合金進(jìn)行拮抗驅(qū)動(dòng)。利用形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)，科研人員通過周期性電流加熱，使一對(duì)形狀記憶合金彈簧主動(dòng)交替收縮，驅(qū)動(dòng)手性超材料單元的雙穩(wěn)態(tài)突跳切換，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的快速循環(huán)擺動(dòng)。隨后，他們通過有限元仿真、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測(cè)試及高壓罐實(shí)驗(yàn)等方法，系統(tǒng)優(yōu)化了驅(qū)動(dòng)器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了靜水壓力對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的正向強(qiáng)化，顯著提升了驅(qū)動(dòng)器的擺動(dòng)速度與幅值。

目前，該團(tuán)隊(duì)正朝著深海柔性機(jī)器人+AI的研究方向努力，并將致力于聚焦提升深海小型機(jī)器人的續(xù)航能力和運(yùn)動(dòng)效率，實(shí)現(xiàn)更大范圍的深海探測(cè)和監(jiān)測(cè)，為海洋資源開發(fā)、考古發(fā)掘、環(huán)境監(jiān)測(cè)等提供方案。正如團(tuán)隊(duì)成員、北航機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院博士研究生、深潛人員左宗灝所說：“深?？蒲械镊攘υ谟谖粗獛淼奶魬?zhàn)，每次下潛的機(jī)會(huì)都彌足珍貴，但永遠(yuǎn)相信只要敢邁步，海底也會(huì)有光。”

北航航空科學(xué)與工程學(xué)院副教授潘飛，機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院研究生劉嘉琦、左宗灝、何夏為論文共同第一作者。北航機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院丁希侖教授與文力教授為通訊作者。

（北航供圖）