李铁风 浙江大学,李铁风哪里人

中国的“机器鱼”上了《自然》的封面人物——它为什么能在几万米的范围内游来游去？

人类对于深海的了解还很少，尤其是海平面6000米以下的“超深渊带等”，人们几乎一无所知，妨碍探究的最主要因素，是来自海底的巨大压力。“在10900米的海底，静水压高约110兆帕，相当于100个大气压。”李铁风作了一个具象的比喻，就等于1吨小汽车完全被压到了指尖。深海探测技术发展到今天，已经进入了一个全新阶段。常规深海探测设备，甚至还要求钛合金等高强度金属外壳，或采用压力补偿系统进行防护成本较高，动作也不灵活。如今，随着水下机器人技术的发展，科学家们有望研发出一种新型的深海探测仪器——水下智能传感器。“但即使在马里亚纳海沟深处，依然有数百个物种，它们应对极高静水压的方式，是不是可以给我们启示？”

钝口拟制狮子鱼，成了李铁风一行人的创作灵感源泉，这巴掌大小，半透明软鱼，它甚至可以在海面以下7000多米处居住。“我们把这种鱼养在鱼缸里，通过不断改变温度和光照等条件，观察它们如何适应各种环境。”“我们获得了狮子鱼的标本，给它做了CT，发现这种鱼的骨骼，细碎地分布在凝胶状柔软的身体中，这个身体构造给了我们很大的启发。”“狮子鱼是一种非常奇特的生物，它们的头部像一个巨大的怪兽，有两个眼睛。”李铁风说道。作为海洋动物，狮子鱼被认为是最具潜力的海洋生物之一，但目前其形态及功能尚不清晰。2018年5月浙江大学交叉力学中心教授李铁风团队与之江实验室智能机器人研究中心正式开展基于狮子鱼仿生深海软体机器人的研究。

中国“机器鱼”长22厘米，翼展宽28厘米，如狮子鱼、控制电路、电池这种硬质器件并不像传统的探测设备那样集成封装，而是用软凝胶把它们分开。它能感知水下水压并进行自主控制，从而实现对海底深处物体或障碍物的实时监测。“通过设计调节器件和软体的材料与结构，优化在高压环境下机器人体内的应力状态，这样’机器鱼‘不再需要外壳保护，即可承受万米级别的深海静水压力。对比传统的‘铠甲式’抗高压深潜装备，这条设计路线，有可能大幅度降低深海探测的难度和成本。”

“当然首先希望技术能够从实验室更快走向使用，通过对其能源、驱动、感知一体化系统进一步优化，让柔性智能设备直接服务于深海探测作业、环境的观察和深海生物的科考，并实现深海通讯、深海检测等功能。一方面是降低成本，另外一方面软体机器人也有更好的环境适应能力，比如可以更容易、安全地通过狭窄区域。”

并在广义上进行了运用，“机器鱼”代表了一种“刚柔相济”的设计理念与策略，也有希望带来更加创新的发展。目前，“机器鱼”已经开始在多个领域进行了实践，比如智能机器人，智能可穿戴设备等，都取得了不错的效果。“比如智能可穿戴设备，人体需要贴合的好，也要应对运动带来的冲击，‘刚柔相济’同样能保护设备中脆弱的芯片。再比如生物医疗设备，它未来应用的环境是人体内部，直接作用于细胞，但硅基的电子器件对生物体并不友好，采取类似‘机器鱼’的融合包裹方法，和人体的接触，就可以达到更高的亲和力。”

国内软体机器鱼在万米深海打卡，怎么会在水里移动？

浙江大学航空航天学院教授李铁风介绍，机器鱼利用海水作为低压端的电极，身体内的电源会对人工肌肉的内外侧产生电势差，薄的鳍为此而松弛，收缩变形。当遇到高压端的时候，机器鱼将会通过自身产生电能驱动鳍张开和收放。靠事先设定的步骤，机器鱼可以悠然自得地张开双鳍，在深海里行军游泳。

李铁风说：狮子鱼头部骨骼散布镶嵌于软组织中，而仿生机器鱼的一个设计亮点，则是对狮子鱼散布在头部骨骼结构的模仿。由于肌肉和神经分布密集且相互独立，所以狮子鱼要想像普通鱼类一样游动起来并不容易。并使其更加贴近狮子鱼软组织质地，课题组选择使用硅胶制造机器鱼骨架。据了解，这种由硅胶制作而成的外壳可以让机器鱼像狮子一样灵活游动。该透明凝胶状材料具有与水相近的密度和柔软而坚韧的质感，可以把电池、控制电路和其他硬质器件被“温柔”的包裹着。

“我们将功能性电子电路最大程度地分散在软硅胶中，通过参数调节和结构设计，实现机器鱼内部的应力水平平衡。”“这就像我们设计的鱼鳍一样。”李国瑞交代道，尽量分散布置元器件，能降低其相互间剪切应力。

这样机器鱼就算没了刚性外壳的保护，还可以适应超高静水压力。告别笨重的金属壳，机器鱼的体态比较轻，机动性也得到了提高。机器鱼因其外形酷似鱼类而得名。现在人们看到的机器鱼，成品全长22厘米、翼展宽28厘米，体重只有150克，近2~3个鸡蛋。

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机器鱼研究费用比常规深海机器人低廉

“这项工作会在很大程度上推进深海机器人的研究进步。”论文审稿人这样评价。作为一种全新的水下航行体技术，机器鱼自诞生之日起就吸引了众多关注的目光。由于创新性设计理念的提出、自行研制了特殊材料，机器鱼也越来越便宜。

与传统的设计思路告别，机器鱼已无需使用价格高昂的钛合金作为耐压壳，光是这个就可以节省很多费用。“我们现在只需将机器鱼放入水中即可完成作业，而不必像以往那样要把鱼体从水下吊上来进行安装和固定。”李国瑞告诉《中国科学报》，相对于传统的深海机器人，新篇显示机器鱼费用要小很多，单台成本可以控制到万元。

“这项研究能为深海探测作业、环境观察和深海生物科考提供新的解决方案。”李铁风说：今后，研究小组也将继续努力改进深海装备及机器人应用，使柔性智能设备能够应用在深海作业这种更加复杂的环境中。

参考资料：光明网–软体机器鱼在万米深海“打卡”

国内软体机器鱼在万米深海打卡，本研究的效果如何？

“这项研究能为深海探测作业、环境观察和深海生物科考提供新的解决方案。”浙江大学航空航天学院教授李铁风表示，未来，研究小组也将继续努力改进深海装备及机器人应用，使柔性智能设备能够应用在深海作业这种更加复杂的环境中。

浙大团队发明的深海软体机器鱼日前登上国际顶级期刊《自然》杂志封面，这种机器鱼曾经下潜至马里亚纳海沟10900米处，以及2500mAh锂电池供电，扑翼运动持续了45分钟。这是目前世界上最大的水下机器人。它的研究开发是从深海狮子鱼身上得到的仿生启示，它的形状又像深海中的狮子鱼，体长22cm，翼展宽28cm。

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李铁风课题组开发了一种仿生软体机器鱼，以软体人工肌肉带动一对翅膀状柔性胸鳍，以节律性扑翅的方式达到游动的目的。机器人鱼体具有良好的耐压性能和较强的抗疲劳能力，能够适应极端海洋环境条件。通过分析深海狮子鱼结构，研究小组发现，深海狮子鱼骨细碎状，呈凝胶状软质，帮助他们在高压力的环境中生存和活动。

该小组采取“以柔克刚”战略，把控制电路，电池和其他硬质器件再整合到凝胶状软体机身上；同时利用高分子聚合物作为柔性骨架，使其具备良好的柔韧性。透过设计，调整器件及软体之材质及构造，达到机器人不需要耐压外壳的目的，便能经受万米级深海静水压力作用。

参考资料：光明网–软体机器鱼在万米深海“打卡”

国内仿生软体智能机器鱼第一次在万米深海中独立完成

前不久，国际杂志《自然》以《深海导航》为题刊登了一篇封面文章，还发表了中国研究者研制的新型深海机器人方面的论文。这是我国科学家首次将自主研发的水下机器人用于海洋探测和科学考察。据介绍，仿生软件智能机器鱼无需抗压外壳，近日在10,000米深处实现全球首次自动驾驶。它不仅可以自主地进行水下航行和避障，而且还能像人一样做出各种复杂的动作。媒体报导说，海底大约10900米处是马里亚纳海沟，机器鱼根据预设指令，完成聚合物材料生产，而且人工肌肉在该动作中的响应时间可长达45分钟。目前，科学家正在进行一系列实验来验证这种技术如何帮助人类更好地探索海洋深处的奥秘。有利于深海设备智能水平提升，并且极大地降低了深海勘探工作所需费用。科学家们称，这一成果可能会让人类能够在未来的水下生活更加安全和舒适。据该成果参加者李铁峰教授介绍，水深10900米处，这个水深等于110兆帕，相当于将近1100个大气压。

再通过较为直观地类比，可把它看成是用超过1顿饭压1个指甲大的地方重。这个物体就像一只巨大的螃蟹一样，它承受着来自自身和外界的强大压力。面对这样的巨大压力，一般机器人或者装备一般都要求钛合金或者高强度合金耐压壳能够承受压力。李铁风课题组研制出一种仿生软机器人鱼，用柔软人造肌肉带动一对翅膀状柔性胸鳍，用有韵律的方式扇动翅膀。这些柔性胸部可使机器鱼具有足够的强度以应付高压环境中复杂的运动过程。通过分析深海狮鱼结构，研究团队发现，深海狮鱼骨细呈凝胶状软体体，从而帮助他们在高压力环境中生存与活动。此外，他们还提出一种新的设计方案，让生物肌肉产生更多运动，从而提高它的强度，并减轻重量。正因为这样的设计，研究小组会控制电路，电池等硬组件整合在凝胶状软体体中。此外，他们还利用一种新的技术制造出具有“呼吸”功能的微型机器鱼以代替人工呼吸器官。透过对装置及软体之材质与架构进行设计与调整，这台机器人认识到，这种机器人不需要耐压外壳就能经受1万次，深海内仪表级静水压力。

经过2020年疫情冲击，我国水下机器人正在得到很好地发展，但与此同时，将会有一个全新的契机。“新基础设施”一词被提了出来，而且日益流行，比如人工智能，5G，工业互联网等尖端技术飞速发展，对水下机器人产生了全新的正面影响。从目前来看，国内对水下机器人研究还处于起步阶段，但随着国家政策扶持力度的加大以及相关企业的努力，我国的水下移动机器人产业已经进入快速发展期。预计今后水下机器人智能化、数字化水平将进一步提升，新型基础设施信息支持还会推动水下机器人产品创新与应用升级。

但水下机器人虽然机遇很大，发展前景广阔，但是在这一阶段，还存在着很多的问题。这些问题严重阻碍了它的发展进程。尤其对商业着陆，仍有很多障碍。这些因素都会对水下机器人商业化产生影响。这就涉及到技术门槛较高等问题，研究和开发难度较大、周期长，市场环境不够健全，产品价格较高，生态建设不到位等等。这些都对水下机器人商业化产生一定程度的阻碍作用。在此背景下，我国仍需在技术、市场和生态等方面，配套设施与应用等视角强化调研、突破、协作与提升。同时要注意到，由于技术的局限性和经济能力有限，我们目前所做的工作只能说是初级阶段，还有很长一段路要走。总之，我国水下机器人在轨运行取得初步成效，未来展望，蔚蓝大海也已开启。中国唯有淡定，技术的稳定学习，以开发其潜能，把握发展高潮，并对其表示欢迎。同时我们要积极与国际接轨。发展趋于成熟。

国内软体机器鱼在万米深海打卡的费用有多高？

新论文所展示的机器鱼的成本比传统深海机器人要低很多，一次费用可以控制在万元之内。

《自然》杂志前几天在封面上介绍过一种受深海狮子鱼启发的软体机器鱼，这种鱼的长度和宽度大约相当于A4纸那么大，比2枚蛋稍重，身形柔美灵动，却能承受1100个大气压的压力。科学家们认为，”它是世界上最柔软的机器人之一。“用一个不太恰当的比方，这相当于1吨重的小汽车全压在一根手指尖上。”论文通讯的作者、浙江大学航空航天学院教授李铁风告诉《中国科学报》。

海试结果显示，软体机鱼能在10900米深的海底正常工作、游弋于3224米处海水之中。“我们的目标是实现深潜器小型化、柔性化、智能化。”论文第一作者之一、之江实验室助理研究员李国瑞表示。

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人工肌肉的巧妙带动

攻克深海的压力难题，还要使机器鱼下水。目前，机器鱼已经可以实现游动和转向两种功能，但它们都需要一个独立的电池供电，这使得它们的续航能力大打折扣。为达到这一目的，除编制预设程序、把电源控制系统放在机器鱼里面，课题组在机器鱼鱼鳍上也颇费心思。

与狮子鱼在行进中波涛汹涌的鱼鳍不同，机器鱼行进状态与魔鬼鱼较为相似，鱼鳍好像是两个翅膀在上下左右扇。这种仿生机器鱼被称为“翅膀鱼”，俗称“魔爪”。其“翅膀”其实是电驱动人工肌肉，看上去就像是薄透了的薄膜。在这张薄而透明的膜结构中，电流通过后会发生形变从而改变形状和大小，进而产生巨大能量。该高分子柔性材料是浙江大学化学工程与生物工程学院罗英武教授等共同研制的，本实用新型克服了电驱动能力在高压和低温情况下的衰减。

李铁风说机器鱼是利用海水作为低压端的电极，身体内的电源会对人工肌肉的内外侧产生电势差，薄的鳍为此而松弛，收缩变形。当需要时，将其撑开或收起，使身体与海底之间产生一定距离，从而获得足够的浮力和推进力。靠事先设定的步骤，机器鱼可以悠然自得地张开双鳍，在深海里行军游泳。

除数百次实验室深水实验外，2019年和2020年，团队分别在马里亚纳海沟和中国南海进行海试。通过对海洋鱼类神经信号的采集及分析处理，研发出一种新型水下机器人——“海洋肌肉”。结果表明：依靠该人工肌肉，机器鱼能够在0~4摄氏度的低温和110兆帕的高压条件下正常运行。

参考资料1。中国科学院–软体机器鱼在万米深海“打卡”