萧箫 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

让指尖承受1吨重量，这样的压力能Hold住吗？

来自浙大的机器鱼，就确实做到了——不仅承受住了10000米深海的巨大压强，还在其中自如游动了45分钟。

而且只有这么小（身长22厘米，展翅28厘米）：

在以往，科学家们要是想探索万米以下的海沟，所采用的装置通常得这么大：

这些装置材料不仅得有足够的强度（如钛合金）、厚度，或是自带巨大的压力补偿系统，才能承受住万米深海的重压。

浙大的这条机器鱼，打破了传统深海探测装置“硬刚”的方法，首次实现了在万米深海中，自能源软体机器人自主游动的能力。

这项研究，现在登上了Nature封面。

为什么这么能抗压？

传统的水下航行器，通常需要用高强度金属材料来制成外壳，对航行器进行保护。

随着水域越来越深，外壳的厚度和尺寸也需要得到相应提升，机器就会越来越大。

然而，在海洋最深处的马里亚纳海沟，却仍然生存着数百种生物，其中就包括一种名为钝口拟狮子鱼（Pseudoliparis swirei）的生物，体型并不大。

这种狮子鱼没有坚硬的外壳，却还能在水中自如游动。

从图中可以看见，它的头部非常大，但能承受住深海的重压。

这是怎么做到的？

研究人员对它的身体结构进行了分析，发现这种鱼的骨骼，细碎地分布在柔软的凝胶状身体中。

这也解释了为什么传统电路结构在深海中极易出现故障——

通常，运行机械系统的电路结构，会被密集地封装在一整块印刷电路板（PCB）上，一旦承受的压力增大，电路板接口就容易出问题。

例如，下图是一块完整的电路板。如果施压过大，电路板和电路元件之间的接口就非常容易损坏。

但如果将电路板，像鱼的骨骼那样“拆开打碎”，分装在几个更小的电路板中呢？

事实证明，这样做所带来的效果非常显著，将压力分散到了更小的电路板中。

但这样还不够，因为电路板上的元件分布太密集，不足以承受深海中的压力。

研究人员又重新设计了电路，尽可能将元件分散，将相邻元件之间的距离增加了6倍，变成2.4mm（图中d的大小）。

这样，做出来的电路结构，在硅树脂（电绝缘、耐温、防水）的包裹下，能承受巨大的压力。

除此之外，还得让鱼在高压下前行。

为了达成这一目的，研究人员想到了用电势差的方法：利用海水作为离子导电负极，用机器鱼自带能源在“翅膀”内外侧产生电势差。

这样，人工“翅膀”（高分子薄膜）就能发生形变，使得翅膀上下拍动，推动机器鱼前行。

这项研究由浙大的李铁风团队完成，共同一作为浙大研究员李国瑞、博士研究生陈祥平和周方浩。

在这个机器鱼实现之前，还没有科学家在深海实现过这种自供能驱动的软体机器人。

李国瑞表示：“这种软体机器人无需耐压外壳，便能承受万米级深海静水压力，大幅降低了深海探测的难度和成本。”

曾发明最快仿生软体机器鱼

事实上，早在2017年，李铁风团队就曾经制造过当时世界最快的仿生软体机器鱼，研究登上Science子刊。

这种机器鱼参考了蝠鲼的设计，全长9.3厘米，可以以每秒6厘米的速度，游上3小时。

同样，它也采用了“电子肌肉”的设计：上下两层是透明高弹体薄膜，中间是导电材料。

随着“电子肌肉”通电，这条软体机器鱼就能在红外线的操控下，实现前进等各种动作。

而且，这种鱼类的主要结构，还能通过3D打印技术直接成型。

“科研就像升级打怪一样”

这项研究的共同作者有三位，分别是浙大之江实验室的科研人员李国瑞、博士研究生陈祥平、周方浩，通讯作者为李铁风。

△主要作者李国瑞，陈祥平，周方浩，梁艺鸣与李铁风，图源浙江大学

发明这个深海软体机器鱼的想法，源于李铁风和李国瑞在机器人顶会ICRA上的一次讨论。

这在当时，提出这样的设想，会面临非常大的压力，因为此前，还没有人成功做出过这样的软体机器人。

过程中，李国瑞失败过很多次，自述“每半个月就会做一次机器压力测试，做前都是信心满满。然而，几乎每次都会出现各种各样的问题。”

△图源之江实验室

而且，在马里亚纳海沟实施最终海试时，团队还在南海遇到了超强台风。

但最后，团队还是克服困难，成功完成了深海测试。

李国瑞形容，科研过程就像是“升级打怪”，遇到各种bug，都是非常正常的事情。

他认为，每解决一个bug，都可以看成是向成功前进一步，如果不放弃，就能实现最终的目标。

论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-03153-z

参考链接：
[1]https://mp.weixin.qq.com/s/kDfg81sNLt-izjP6xZlmNw
[2]https://www.nature.com/articles/d41586-021-00489-y
[3]https://advances.sciencemag.org/content/3/4/e1602045

— 完 —

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