浙江大学仿生设计登上Nature封面!
小奇 2021-03-08

地球的深处往往披着神秘的色彩,诱使着人们努力前往探索,尝试揭开深处的奥秘。但是最深处的海洋区域由于极高的静水压力仍未能被触及。


设计精良的机器人可在水下任务中提供出色的机动性和功能。为了探索3,000 m至11,000 m的深度,刚性机器人是需要压力容器或压力补偿系统的。然而,考虑到极端条件下的结构破坏风险,深海勘探仍具有挑战性。


成果简介

近日,浙江大学李铁风教授等人受深海狮子鱼的启发,开发了一种由软材料制成的机器人,它可以勇敢地穿越未经探索的深海。成果登上Nature杂志封面


图片.png


值得注意的是,作者证明了他们的机器人可以在海洋最深处的马里亚纳海沟中运行。常规的水下航行器需要由金属材料制成的防水外壳,以承受深海的高压。但是在该机器人中,精致的电子组件被嵌入并分布在柔软的硅树脂中,这种设计消除了对耐压外壳的需求。



图片.png

图|设计概念图


整体设计

该机器人设计为具有鱼一样的身体形状和两个拍打的侧鳍。研究人员使用了一种成熟的机制来驱动拍打。鳍片附着在机器人身体的“肌肉”上;这些鳍是由一种柔软的材料制成的,这种材料能将电能转化为机械功——当机器人电池的电流施加于肌肉时,肌肉就会收缩。微小的固体结构将收缩的肌肉机械地连接到鳍上,使它们扇动



图片.png

图|软机器人的设计与制造


分布式嵌入硅树脂

作者面临的挑战之一是找到一种方法来保护机器人的电子组件免受高压侵害。作者从深海狮子鱼头骨的骨头中汲取了灵感,作者将电子组件隔开,而不是像通常在电子设备中那样将它们包装在一起。实验室测试和模拟表明,这种布置减小了在压力下组件之间的界面处的应力。然后将分布式电子设备嵌入硅树脂中,以合并到机器人中。这种方法比其他用于保护深海设备中电子设备的方法更实用,更便宜。



图片.png

图|聚合物封装电子设备的耐压弹性


海洋最深处游泳试验

研究人员首先在实验室的加压水室内测试了该机器人的游泳能力,该机器人被连接到一根杆子上,并绕一圈游动。然后,该机器在70米深的湖泊中进行了测试,然后以每秒3.16 cm的速度自由游动,然后在中国南海约3200 m的深处进行游泳试验。它达到了5.19 cm s-1(相当于每秒0.45体长)的速度,这与其他软机器人的功能是一致的。最后,在马里亚纳海沟中测试了机器人的拍打运动和压力阻力,并将其连接到传统的水下机器人进行支撑和拍摄测试图像。



图片.png

图|在压力测试室和深湖中进行游泳实验


总结与展望

先前已经进行了几次尝试,以开发用于水下应用的软机器人,因为机器人传感器在这种环境下不能很好地工作,因此在该领域中,机器人很难与物体进行精细的交互。当收集和处理供海洋生物学家研究的精细海洋生物时,软机器人抓手比刚性抓手设备具有明显的优势。受生物启发的软机器人鱼可以在其他动物中游动而不会困扰他们,因此可以进行近距离研究。该研究现在突破了可以实现的范围:用嵌入软材料中的分布式电子设备代替电子部件的刚性保护罩,为新一代深海勘探者铺平了道路。


不足之处:

但是,在使用这种类型的机器人进入海洋之前,还有许多工作要做。该机器比以前报道的水下机器人要慢,并且不能承受很大的干扰,因为它很容易被水下电流冲走。还需要针对实际应用优化其运动能力。但是,该研究的方法为后期的弹性和可靠的深海勘探者奠定了基础。


从长远来看,人们可以预测海洋生物学的研究途径,软机器人可以安全地在珊瑚礁或水下洞穴中航行,以收集精致的标本而不损坏它们。大量的水下软机器人能够在海床上爬行,将自己锚定在特定的结构上或在特定的区域游动,这可能有助于开发各种其他应用程序的技术。这些可能包括监测海洋,清理和防止海洋污染或保护海洋生物多样性。从根本上讲,它们可以帮助研究人员探索广阔的海洋深处。


参考文献:

1. Li, G., Chen, X., Zhou, F. et al. Self-powered soft robot in the Mariana Trench. Nature 591, 66–71 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-020-03153-z
2. Nature 591, 35-36 (2021). https://doi.org/10.1038/d41586-021-00489-y



加载更多
490

版权声明:

1) 本文仅代表原作者观点,不代表本平台立场,请批判性阅读! 2) 本文内容若存在版权问题,请联系我们及时处理。 3) 除特别说明,本文版权归纳米人工作室所有,翻版必究!
纳米人
你好测试
copryright 2016 纳米人 闽ICP备16031428号-1

关注公众号