水下10900米运动自如，浙大软体机器人成功挑战马里亚纳海沟
目前，设计精良的水下机器人在深海任务中具有出色的机动性和功能性，勘探深度能达到 3000-11000 米，比如我国自主研发的 “蛟龙号”“奋斗者号” 等载人潜水器，在深海探矿、海底高精度地形测量、可疑物探测与捕获、深海环境与生物考察等任务中都扮演着关键角色。
【水下10900米运动自如，浙大软体机器人成功挑战马里亚纳海沟】但是，这些深海潜水器通常需要特制的压力容器或压力补偿系统来保护内部机电系统，考虑到海底极端条件下结构破坏的风险，深海勘探仍然具有危险性和挑战性。
受深海生物特性的启发，来自浙江大学、之江实验室的科研团队及其合作者开发了一种能用于深海探测的无线自供能软体机器人，他们通过在马里亚纳海沟最深 10900 米处和南海最深 3224 米处进行实际测试，验证了这种机器人具有极好的耐压和游泳性能。
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这类软体机器人的性能很大程度上取决于软启动器，包括介电弹性体（dielectric elastomers，DEs）、水凝胶和射流装置等，近年来的许多研究表明，具有扑翼、波动、喷射等推进方式的柔性机器人具有良好的游泳性能。
独特的电子和机械设计
据了解，这种机器人设计成功的关键之一是压力弹性电子元件。传统的水下航行器需要金属材料制成的水密外壳，以承受深海高压，这些外壳的厚度和尺寸必须增加，以适应更大的深度。但在研究团队此次设计的机器人中，精密的电子元件被嵌入并分布在柔软的硅树脂基体中，这种设计消除了对耐压外壳的需求。
研究人员通过测试发现，如果电子元件密集地封装在一块印刷电路板（PCB）上，压力测试表明在它们的接口处容易发生故障，因此需要一种方法来保护机器人的电子元件免受高压影响，启发则是来自钝口拟狮子鱼分布的头骨。
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为了提高压力恢复力，他们采用了分散式设计来降低剪切应力。在这种设计中，元件与几块较小的 PCB 进行线连接或分离，这里的 “分离” 是指去除电子元件之间的直接刚性接触。实验室试验和模拟表明，这种布置降低了受压部件之间接口处的应力，然后将分布式电子器件嵌入硅树脂中，以便并入机器人，该方法比其他保护深海设备电子设备的方法更实用，也更便宜。
设计好了电子部分，另一方面就是机械驱动部分，这里的一个关键应用是介电弹性体（DE），一种加上电压即可出现形变的电激活聚合物，这种材料能将电能转化为机械功 —— 当机器人电池的电流作用于肌肉时，肌肉就会收缩，微小的固体结构通过机械方式将收缩肌与鳍相连，使其拍打运动。
最终，他们把机器人设计成了鱼一样的身体形状，有两个拍打的侧鳍。该机器人长 22 厘米（体长 11.5 厘米，尾长 10.5 厘米），翼展有 28 厘米，电力和控制电子设备包括锂离子电池、高压放大器、红外接收器、放电电阻器和 MCU。
此外，DE 材料也经过了精心设计，可在深海低温高压下保持其电压感应驱动。研究人员在高压下测量了由典型 DE 材料（VHB）制成的圆形致动器的电压感应区域应变，结果发现，当实验条件从（0MPa，25°C）变为（110 MPa，5°C）时，电压引起的区域应变从 19.1% 下降到了 2.4%，不足以推动机器人。
他们在实验室中观察记录了该机器人在 110 MPa 的静水压力中，在不同电压（7 kV、8 kV、9 kV，2 Hz）下测试游泳性能。当驱动电压为 7 kV，频率为 1Hz 时，在 0MPa 和 110MPa 的压力下，机器人能以 3.29 cm 每秒和 2.76cm 每秒向前游动。此外，还在一个深湖中用遥控潜水器将其带到水深处，对软机器人的自由游动进行了现场测试，该机器人在 8 米深处能以 3.89cm 每秒的速度游泳，在 70 米深处能以 3.16cm 每秒的速度游泳，证实了它对野外探险的鲁棒性。
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文章部分素材源自：学术头条
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