中國研究團隊完成軟體機器人萬米深海操控及自主遊動實驗

中國研究團隊完成軟體機器人萬米深海操控及自主遊動實驗

2021年03月05日 13:48:02
來源:中國新聞網

中新網杭州3月4日電 (錢晨菲)位於浙江的之江實驗室4日發佈消息,國際頂級期刊《自然》封面發表之江實驗室與浙江大學合作的仿生深海軟體機器人最新研究:馬裏亞納海溝的自驅動軟體機器人。該研究團隊率先實現軟體機器人的萬米深海操控以及深海自主遊動實驗。

《自然》封面發表之江實驗室與浙江大學合作的仿生深海軟體機器人最新研究。之江實驗室供圖

《自然》封面發表之江實驗室與浙江大學合作的仿生深海軟體機器人最新研究。之江實驗室供圖

之江實驗室智能機器人研究中心的高級研究專員李國瑞為該論文第一作者,之江實驗室智能機器人研究中心工程專員梁藝鳴為第二作者,浙江大學李鐵風為通訊作者,之江實驗室主任朱世強、顧建軍等為共同作者。

馬裏亞納海溝的自驅動軟體機器人。之江實驗室供圖

馬裏亞納海溝的自驅動軟體機器人。之江實驗室供圖

研發適應萬米靜水壓的軟體機器人

馬裏亞納海溝是已知的海洋最深處,水壓高、温度低、完全黑暗,被稱為“地球第四極”。隨着深潛技術的不斷髮展,科研發現在其6000—11000米之間的極高壓深水區,仍有數百種物種生存,獅子魚就是其中的典型代表。

生物學研究發現,獅子魚的骨骼細碎狀分佈在凝膠狀柔軟的身體中,能承受近百兆帕的壓力。“獅子魚的奇特構造帶給我們很大啓發。如果能將深海的‘生命奧祕’化作‘機器之力’,就可以研發出自適應深海極端環境的仿生、軟體、小型化智能深海機器人,既可助力深海探索,又能發展新型機器人與智能裝備。”李國瑞説。

該項目於2018年5月啓動,研發的仿生深海軟體機器人形似一條魚,長22cm,翼展寬度28cm,大約為一張A4紙的長寬。控制電路、電池等硬質器件被融入集成在凝膠狀的軟體機身中;通過設計調節器件和軟體的材料與結構,實現了機器人無需耐壓外殼,便能承受萬米級別的深海靜水壓力。

“相比於傳統的‘鎧甲式’抗高壓深潛裝備,我們以全新技術路線研製仿生深海軟體機器人,爭取大幅降低深海探測的難度和成本。”李國瑞説。

創新“智能人工肌肉驅動”

深海機器人如何實現推進?據悉,機器人依靠的是自身攜帶的小型化能源控制系統及兩翼中間橢圓形部位的介電彈性體人工肌肉。當硅膠體中的電子器件產生電信號時,介電彈性體會在該電壓信號的刺激下產生像肌肉一樣的變形模式,“仿生機器魚”的雙翼就會隨着肌肉的伸縮進行撲翼運動,驅動機器人前進。

要實現介電彈性體在深海中的驅動,需克服在高壓和低温條件下高分子材料的電驅動性能衰減問題。項目組與浙江大學化學工程與生物工程學院教授羅英武團隊合作,研製了一種能適應深海低温、高壓等極端環境的電驅動人工肌肉,即便是在馬裏亞納海溝的低温(0—4℃)、高壓環境(110MPa)下依舊能正常工作。

“我們的另一個研究突破在於,設計了一種能在高壓低温環境下依然能保持良好電驅動性能的電驅動智能軟材料。”李鐵風説,適應深海靜水壓力的軟—硬融合機器系統,以及適用於深海高壓低温環境的新型介電高彈體驅動器,兩項技術突破造就了這台全新的仿生深海軟體機器人。

馬裏亞納海溝的自驅動軟體機器人研發團隊。之江實驗室供圖

馬裏亞納海溝的自驅動軟體機器人研發團隊。之江實驗室供圖

軟體機器人應用前景廣闊

為了進一步證實機器人在深海實地環境下的可靠性,在上海海洋大學、中科院深海所、大連海事大學、廣東海洋地質調查局等單位的支持下,項目組研發的仿生機器人先後在馬裏亞納海溝、中國南海等海域開展深海海試。

2019年12月,仿生深海軟體機器人在馬裏亞納海溝坐底,海試影像記錄顯示,在10900米海深處,該機器人實現了穩定撲翼驅動。2020年8月,該軟體機器人在南海3224米海深處成功實現自主遊動。

“機器人在深海、極地、高衝擊性等惡劣及特種環境下,都具有良好的發展應用前景。”李國瑞表示,未來,項目組將繼續研究深海軟體智能設備的能源、驅動、感知一體化系統,提升仿生深海軟體機器人的智能性,同時降低應用成本。

梁藝鳴介紹,“我們還計劃將仿生軟體機器人的關鍵技術運用到深潛器上,研製小型化的深海裝備,實現深海通訊、深海檢測等功能。”(完)