《Science Robotics》文章：具有多模式运动的微型深海变形机器人

由北京航空航天大学机械工程及自动化学院研究团队联合中科院深海所、浙江大学历经6年共同研发深海小型多模态机器人研究成果于3月20日发表在国际学术顶刊《科学·机器人》（Science Robotics）为深海探索带来了更多可能性。

深海生物多模态运动的智慧启迪

大自然是人类最伟大的导师，深海生物在极端环境下展现出的适应性和多样性，为科研团队提供了宝贵的仿生灵感。蝙蝠鱼是深海世界的“舞者”，通过巧妙的鳍肢运动，在深海中自由游弋、行走。北京航空航天大学机械工程及自动化学院研究团队正是从蝙蝠鱼的运动模式中汲取灵感，设计出能够游动、滑翔、爬行的多模态机器人，并利用手性双稳态超材料结构实现0.75s内的游动-走动快速转换，适应不同的海底地形和任务需求。

在游动模式下，机器人通过尾鳍的摆动产生推力，如鱼得水般穿梭，最高速度可达5.5cm/s；在滑翔模式下，展开的背鳍利用水的升力实现长距离滑行，宛如深海中的海燕，轻盈而优雅；在爬行模式下，机器人利用各向异性足部设计，能够实现3cm/s的沙地行走，稳健而灵活。这种多模态运动能力，使机器人能够在复杂的深海环境中灵活应对，完成多样化的任务，成为深海探索的多面手。

深海极端环境中的柔性“风火轮”

“10000米深海压强对于小机器人来说，相当于压了一座小型冰山”，北航研究团队负责人文力教授的比喻，生动地揭示了深海小机器人在研发过程中面临的最大难题之一。在深海的高压下，柔性驱动器材料的模量增加，类似肌肉的“僵化”，会导致驱动幅值与速度的衰减，削弱机器人的运行性能。为了克服这一挑战，在多次尝试之后，研究团队设计出了全新的深海驱动装置：利用双稳态手性超材料结构在两个稳态之间切换时的快速突跳（snap-through），实现高效驱动。这种快速突跳的速度和幅度会随着结构材料模量的增加而增加，巧妙地将深海高压对软材料的负面影响扭转为正面影响，从而“化腐朽为神奇”，成为提升机器人驱动性能的助力，克服了以往柔性材料驱动器在深海环境下性能衰减的困难，使得机器人在深海中能够实现更高的驱动速度和幅度，如同深海中的“风火轮”，在压力中释放出惊人的动力。

针对2-4℃低温这一深海环境带来的另一难题，研究团队巧妙利用在低温环境下可实现高频循环主动变形的形状记忆合金进行拮抗驱动。利用形状记忆合金的形状记忆效应，通过周期性电流加热使一对形状记忆合金弹簧主动交替收缩，驱动手性超材料单元的双稳态突跳切换，从而实现驱动器的快速循环摆动。进一步，通过有限元仿真、实验室环境测试及高压罐实验等方法，系统优化了驱动器关键结构参数，最终实现了静水压力对驱动性能的正向强化，显著提升了驱动器的摆动速度与幅值。最后，通过硅油填充的硅胶管、柔性油囊等封装技术，实现了形状记忆合金驱动器、电路板和能源系统的压力自补偿封装。

从实验室到深海的性能超越

为了验证机器人的性能，研究团队在多个深海地点进行了实地测试。在几年的测试时间中，机器人搭载“深海勇士号”和“奋斗者号”载人深潜器完成了包含海马冷泉（1384m）、龙西海山（3756m）和马里亚纳海沟（10666m）在内的多地形、全海深的共计14次部署测试。在3756m深海下，驱动器的驱动性能超越了实验室的性能，在摆动幅度上得到了24.9%的提升。在1384m深海的游动（33.7 mm/s）、滑翔（72.1 mm/s）、爬行（21.5 mm/s）的多模态运动速度与常温常压下(游动33.1 mm/s、滑翔56.9 mm/s、爬行21.5 mm/s)的表现相当。深海低温高压下机器人的运动性能可以媲美甚至超越实验室常温常压下的运动性能，并成功实现了预期的多模态运动。

穿戴式柔性抓手深海作业的好助手

针对深海无法对软体生物安全抓取的难题，研究团队利用手性超材料单元的压-扭耦合效应提出了一种穿戴式深海柔性抓持器设计方法。在抓持器接触面上引入分布式微型手性结构，降低了被抓物体表面的接触应力集中，提高了抓持安全性。当穿戴在传统刚性手上，通过刚性手的线性开合驱动，该抓持器能够输出51.8N的切向抓持力，并在杨氏模量从104到109Pa的物体上都保持了较低的接触应力（<33 kPa）。该抓手搭载于“奋斗者号”和“深海勇士号”载人深潜器上，成功完成了3400米深海环境下对软体海洋生物（海星、海参、海胆）的无损抓取和采样，移动吨级着陆器，开箱操作等一系列深海任务。

目前，团队正朝着深海柔性机器人+AI的研究方向努力，为深海智能作业提供更广阔的空间。未来，研究团队将致力于聚焦提升深海小型机器人的续航能力和运动效率实现更大范围的深海探测和监测为海洋资源开发、考古发掘环境监测等领域。

来源：Science Robotics