曲紹興

浙江大學工程力學系, 杭州 310027

深海中極高靜水壓力給人類探索與作業(yè)帶來巨大挑戰(zhàn), 例如在馬里亞納海溝10 900米深處,靜水壓高約110兆帕, 接近于1100個大氣壓. 因此, 深海機器人與機電裝備通常需要高強度外殼(如鈦合金)或壓力補償系統(tǒng)來保護. 最近, 浙江大學航空航天學院交叉力學中心李鐵風教授團隊, 提出了由軟硬融合方式構造機電系統(tǒng)、力電耦合軟體智能材料提供驅動的軟體機器人設計方法, 證實了該類軟體機器人與智能材料可適應極高靜水壓力, 成功實現了軟體機器人無需耐壓外殼在馬里亞納海溝10 900米海底自帶能源驅動(圖1 a), 以及在南海3224米深海游動(圖1 b), 為世界首次. 論文以“Self-powered soft robot in the Mariana Trench”為題, 于2021 年3 月4 日作為封面文章發(fā)表在《Nature》雜志上(Li et al. 2021).

圖 1

為了應對深海中極高靜水壓力, 深海機器人通常由高強度外殼(如鈦合金)或壓力補償系統(tǒng)來保護其電子設備與驅動機構(Umapathy et al. 2019), 而以深海獅子魚為典型代表的生物, 能很好適應極高水壓在深海中生存(Wang et al. 2019). 近年來科學家們開始關注研究具有仿生設計的水下軟體機器人. 各類軟體智能材料與結構, 如介電彈性體、響應水凝膠和流體軟腔道等也被應用到水下軟體機器人中, 用于實現撲翼、波動、噴射等推進動作. 然而, 當這些具有柔軟驅動機構的機器人用于深海時, 其動力和控制電子系統(tǒng)仍需要堅硬外殼保護來抵抗水壓, 從而限制了其柔順性和輕便性. 若軟體機器人無需硬質耐壓結構保護能自身適應高水壓, 并由軟體智能材料驅動, 則有望為深海機器人與智能系統(tǒng)的設計提供全新的解決方案.

浙江大學李鐵風及其合作者團隊對在馬里亞納海溝約7300米處捕獲的鈍口擬獅子魚(Pseudoliparis swirei)進行研究, 發(fā)現其軟凝膠狀組織包裹細碎骨骼的特點. 受此啟發(fā), 提出了電子器件分散融合在軟基體中的設計方法. 采用該設計可以有效調控極高靜水壓力下的電子器件界面應力, 從而使各類電子元件以及鋰電池在高水壓環(huán)境下正常工作(圖1 c). 研究團隊利用介電彈性體的力電耦合響應變形來實現該機器人系統(tǒng)的柔軟驅動. 當由供電系統(tǒng)激發(fā)的電場從厚度方向作用于介電高彈體薄膜時, 薄膜發(fā)生節(jié)律性收縮和舒張, 誘發(fā)與之粘合一體的柔性魚鰭彎曲和平展, 從而實現仿生推進功能(圖1 d). 研究發(fā)現, 深海的低溫高水壓環(huán)境可能誘發(fā)聚合物材料的玻璃化轉變, 使得力電耦合變形能力大幅降低. 通過設計合成嵌段共聚物的方式, 團隊研制了一種低相變溫度的介電高彈體材料, 成功實現了在110 MPa及約2攝氏度環(huán)境中的大變形驅動(圖1 e).這類可在高水壓與低溫環(huán)境中無需耐壓外殼正常工作的電子系統(tǒng)和可實現大變形驅動的軟體智能材料, 有望在軟體機器人以及特種作業(yè)裝備領域實現重要應用.

學科交叉融合是催生原創(chuàng)性成果的重要科研方式. 力學具有與理、工、信、醫(yī)等多學科交叉融合的優(yōu)勢, 當前與其他學科的交叉越來越廣泛和深入, 所涉及對象的復雜性越來越突出, 引發(fā)了一系列處于科學前沿的新問題、新思想和新領域. 交叉力學(X-Mechanics)以力學為牽引,通過介質交叉、層次交叉、剛柔交叉、質智交叉等(Yang et al. 2019, Liu et al. 2021), 實現多學科的交叉和融合, 為力學研究提供了無垠的疆域.

李鐵風等人的工作, 不僅拓展了軟體機器人與智能系統(tǒng)的應用范圍, 為極端環(huán)境下軟體智能材料耦合響應提供了重要理論依據; 也為機器人與智能系統(tǒng)尤其是深海機器人的設計及應用提供了新思路, 是以力學研究為牽引, 開展多學科交叉研究的典范.