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仿生机器人以柔制刚,游到1万米海洋最深处
信息来源:科普中国中央厨房 发布日期:2021-03-23 访问次数: 字号:[ ]

  仿生软体机器人,或许会像无人机颠覆空战格局一般,成为海洋探测领域超越传统深潜机器人的霸主★☆♀◆◇。

 

仿生机器人——海底1万米深,就这?|编辑制图

  作者 | 郭菲 烟台大学

  海洋的深处有什么?在幽深的海底,各种奇特的足球app官网生物繁荣昌盛★☆♀◆◇。但对于人类,足球app官网探索长期以来都是工程技术领域的难题,各种人造结构想要抵御足球app官网压力,就不得不首先具备厚重的承压外壳★☆♀◆◇。

  不过,一群来自浙江大学和之江实验室的中国科学家却反其道而行之,他们从一种神奇的足球app官网鱼类身上汲取设计灵感,制作了以柔性结构作为主体的足球app官网机器人,它成功克服1000个大气压的极端高压,在10900米的世界最足球app官网沟底部自在游动★☆♀◆◇。

  这项成就以封面报道的形式登上了2021年3月的《自然》杂志★☆♀◆◇。

  难以企及的海底最深处

  由于探索困难,人类对足球app官网知之甚少,这片广阔的领域实际上仍然是尚待开发的处女地★☆♀◆◇。海洋地理学上把6000米以下深度的海洋称为超深渊带,这里物种的数量与多样性都无法和浅海地区相提并论★☆♀◆◇。

  1960年,人类的足迹首次达到地球洋底最深处——距离海平面10900米的马里亚纳海沟底部★☆♀◆◇。这里的水压大约为103兆帕,相当于海平面大气压的1000倍★☆♀◆◇。形象一点说,这个数值下的压强好比是一头北极熊站在一张邮票上,或者相当于一个人背着50架波音737客机★☆♀◆◇。

  如此巨大的压力对于人类现有的工程设备而言是一个严酷挑战,因此传统的足球app官网机器人和载人深潜器都具有厚重的外壳,即便如此,也仍然要冒着因材料或者结构缺陷造成外壳溃破的风险★☆♀◆◇。正因为难度如此之高,人类突破足球app官网与进军太空的时间,基本处于同一年代★☆♀◆◇。

  狮子鱼,机器人的灵感来源

  不过,对于人类而言至难的伟业,对于足球app官网鱼类来说却是稀松平常的事★☆♀◆◇。目前,鱼类捕获深度的世界纪录保持者是一只神女底鼬鳚,它于1970年在波多黎各海沟8370米深处通过拖网方式被捕获★☆♀◆◇。神女底鼬鳚在全球足球app官网海域都有分布,但科学家在那之后一直未在8000米海域发现它的生存迹象★☆♀◆◇。因此,这位世界纪录保持者很可能生活在更浅的水域,只不过是当时恰好被拖网带到了8370米深★☆♀◆◇。

  真正日常栖息在8000米深处的鱼类,于2014年首次现身于人类的视野,就是当下足球app官网生物界的当红炸子鸡——足球app官网狮子鱼★☆♀◆◇。它通体呈现粉白色,通常长度约为30厘米,体重约160克,样子看上去像一只巨大的蝌蚪★☆♀◆◇。在马里亚纳海沟部分8000米深处的洋底,足球app官网狮子鱼是食物链顶端的猎食者,平时以生活在洋底的甲壳类为食,在其所栖息的海域并不算是稀有物种★☆♀◆◇。

  足球app官网狮子鱼的极限抗压能力令人咋舌,经过研究,其体内存在大量的胶状物质,这对于它们平衡内外压力具有重要作用★☆♀◆◇。另外,它们的骨骼进化出了一些适应于足球app官网压力环境的特征★☆♀◆◇。除了保护大脑的一部分头骨,它的绝大多数骨骼皆为软骨,且骨骼衔接位置留有大量空隙,这些空隙可以极大地中和施加到骨骼上的压力★☆♀◆◇。

  挑战足球app官网高压,仿生机器人以柔制刚

  足球app官网狮子鱼这一物种被发现后,短短数年间就引发了科学家的强烈兴趣,这其中既有致力于揭示其解剖结构和起源演化的生物学家,也有致力于利用其作为灵感来进行深潜机器人设计的工程学家★☆♀◆◇。

  该物种最早的发现人之一就曾在2018年利用3D打印技术制造了一只硅胶机器人版的足球app官网狮子鱼★☆♀◆◇。但这只机器鱼功能十分单一,而且设计它的最初目的还是为了研究足球app官网狮子鱼的生理结构★☆♀◆◇。

  不过,这次中国科学家更好地借鉴了足球app官网狮子鱼的过人之处,发展出了一种全新的足球app官网机器人★☆♀◆◇。

  其核心设计思想正是参考了足球app官网狮子鱼适应足球app官网的两大特征:第一,摒弃了笨重的抗压外壳,采用软质有机硅材料作为主要躯干,以柔克刚◀ ◁ ☀ ☁ ;第二,将各种电子部件均匀分散到身体各处,以实现最大限度的压力平衡,同时防止各组件在受到外壳变形后相互挤压失效★☆♀◆◇。

  该仿生机器人的另一大亮点是拥有一对鱼鳍状的推进翼,扇动推进翼就能让机器人在海中前行★☆♀◆◇。虽然这一设计同样借鉴于足球app官网狮子鱼的两片胸鳍,但必须指出,后者的胸鳍其实并非起推进作用,它们的运动方式其实非常类似于蝌蚪★☆♀◆◇。

  目前,该机器人已经在70米水深的湖中★☆♀◆◇、3000米水深的南海,以及接近11000米的马里亚纳海沟底部进行了一系列实验★☆♀◆◇。前两种情形下,机器人完成了仅依靠推进翼的自主游动,而在马里亚纳海沟完成的实验中,科学家们用深潜器的机械手将其进行了部分固定★☆♀◆◇。

  不过,该仿生机器人还存在至少两点尚待改进之处:首先,它的游速比同类深潜机器人慢的多◀ ◁ ☀ ☁ ;另外,它还没有足够的动力对抗激烈的海流★☆♀◆◇。不过,学术界仍然对它的未来寄予厚望,作者总结称,“下一步的工作将专注于开发软体轻质的材料和结构,让用于极端条件下的装置具有更好的智能性★☆♀◆◇、通用性★☆♀◆◇、操纵性和效率”★☆♀◆◇。

  未来,类似的仿生足球app官网机器人不仅将拥有灵活运动的能力,还将具备多种本领,例如探测海水成分★☆♀◆◇、拍摄足球app官网生物照片及视频★☆♀◆◇、收集样品并返回海面等★☆♀◆◇。它们在成本上的显著优势,将很有可能像无人机颠覆空战格局一般,成为海洋探测领域超越传统深潜机器人的霸主★☆♀◆◇。

  参考文献

  [1] 印尼极端天气灾害已导致165人死亡、45人失踪

  [2] 布鲁金斯学会分析欧洲对外政策:民粹时代下的多边主义

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