曲紹興

浙江大學(xué)工程力學(xué)系, 杭州 310027

深海中極高靜水壓力給人類探索與作業(yè)帶來(lái)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(gè)大氣壓. 因此, 深海機(jī)器人與機(jī)電裝備通常需要高強(qiáng)度外殼(如鈦合金)或壓力補(bǔ)償系統(tǒng)來(lái)保護(hù). 最近, 浙江大學(xué)航空航天學(xué)院交叉力學(xué)中心李鐵風(fēng)教授團(tuán)隊(duì), 提出了由軟硬融合方式構(gòu)造機(jī)電系統(tǒng)、力電耦合軟體智能材料提供驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)方法, 證實(shí)了該類軟體機(jī)器人與智能材料可適應(yīng)極高靜水壓力, 成功實(shí)現(xiàn)了軟體機(jī)器人無(wú)需耐壓外殼在馬里亞納海溝10 900米海底自帶能源驅(qū)動(dòng)(圖1 a), 以及在南海3224米深海游動(dòng)(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(yīng)對(duì)深海中極高靜水壓力, 深海機(jī)器人通常由高強(qiáng)度外殼(如鈦合金)或壓力補(bǔ)償系統(tǒng)來(lái)保護(hù)其電子設(shè)備與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(Umapathy et al. 2019), 而以深海獅子魚(yú)為典型代表的生物, 能很好適應(yīng)極高水壓在深海中生存(Wang et al. 2019). 近年來(lái)科學(xué)家們開(kāi)始關(guān)注研究具有仿生設(shè)計(jì)的水下軟體機(jī)器人. 各類軟體智能材料與結(jié)構(gòu), 如介電彈性體、響應(yīng)水凝膠和流體軟腔道等也被應(yīng)用到水下軟體機(jī)器人中, 用于實(shí)現(xiàn)撲翼、波動(dòng)、噴射等推進(jìn)動(dòng)作. 然而, 當(dāng)這些具有柔軟驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)器人用于深海時(shí), 其動(dòng)力和控制電子系統(tǒng)仍需要堅(jiān)硬外殼保護(hù)來(lái)抵抗水壓, 從而限制了其柔順性和輕便性. 若軟體機(jī)器人無(wú)需硬質(zhì)耐壓結(jié)構(gòu)保護(hù)能自身適應(yīng)高水壓, 并由軟體智能材料驅(qū)動(dòng), 則有望為深海機(jī)器人與智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供全新的解決方案.

浙江大學(xué)李鐵風(fēng)及其合作者團(tuán)隊(duì)對(duì)在馬里亞納海溝約7300米處捕獲的鈍口擬獅子魚(yú)(Pseudoliparis swirei)進(jìn)行研究, 發(fā)現(xiàn)其軟凝膠狀組織包裹細(xì)碎骨骼的特點(diǎn). 受此啟發(fā), 提出了電子器件分散融合在軟基體中的設(shè)計(jì)方法. 采用該設(shè)計(jì)可以有效調(diào)控極高靜水壓力下的電子器件界面應(yīng)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(tuán)隊(duì)利用介電彈性體的力電耦合響應(yīng)變形來(lái)實(shí)現(xiàn)該機(jī)器人系統(tǒng)的柔軟驅(qū)動(dòng). 當(dāng)由供電系統(tǒng)激發(fā)的電場(chǎng)從厚度方向作用于介電高彈體薄膜時(shí), 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(yú)鰭彎曲和平展, 從而實(shí)現(xiàn)仿生推進(jìn)功能(圖1 d). 研究發(fā)現(xiàn), 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(zhuǎn)變, 使得力電耦合變形能力大幅降低. 通過(guò)設(shè)計(jì)合成嵌段共聚物的方式, 團(tuán)隊(duì)研制了一種低相變溫度的介電高彈體材料, 成功實(shí)現(xiàn)了在110 MPa及約2攝氏度環(huán)境中的大變形驅(qū)動(dòng)(圖1 e).這類可在高水壓與低溫環(huán)境中無(wú)需耐壓外殼正常工作的電子系統(tǒng)和可實(shí)現(xiàn)大變形驅(qū)動(dòng)的軟體智能材料, 有望在軟體機(jī)器人以及特種作業(yè)裝備領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重要應(yīng)用.

學(xué)科交叉融合是催生原創(chuàng)性成果的重要科研方式. 力學(xué)具有與理、工、信、醫(yī)等多學(xué)科交叉融合的優(yōu)勢(shì), 當(dāng)前與其他學(xué)科的交叉越來(lái)越廣泛和深入, 所涉及對(duì)象的復(fù)雜性越來(lái)越突出, 引發(fā)了一系列處于科學(xué)前沿的新問(wèn)題、新思想和新領(lǐng)域. 交叉力學(xué)(X-Mechanics)以力學(xué)為牽引,通過(guò)介質(zhì)交叉、層次交叉、剛?cè)峤徊?、質(zhì)智交叉等(Yang et al. 2019, Liu et al. 2021), 實(shí)現(xiàn)多學(xué)科的交叉和融合, 為力學(xué)研究提供了無(wú)垠的疆域.

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