无需耐压外壳的中国仿生软体机器鱼“打卡”马里亚纳海沟(3)

2021-03-04 12:14     澎湃新闻

研究团队提到,优雅的软体机器人设计为深海探测提供了途径。他们认为,最近的研究表明,具有拍打、波动和喷射等推进模式的软体机器人表现出了优异的游泳性能,尽管它们的执行器很软,结构也很灵活,但这些机器人的动力和控制电子设备仍然需要庞大而坚硬的容器来保护它们免受极端压力。一种没有刚性容器、能够在极端深度的海洋中游泳的软体机器人,目前还没有开发出来。

李铁风等人将灵感目标锁定在超深渊带。在海洋学上,透光层以下的区域常被定义为深海,深度一般在200米以下。按照深度不同进一步将其划分为中层带、深层带、深渊带与超深渊带。狮子鱼就是超深渊“居民”,中国科学院深渊科考队就曾在马里亚纳海沟和雅浦海沟通过着陆器获取过7000多米海底的多个狮子鱼样本。

仿生狮子鱼深海软体机器人。

仿生狮子鱼深海软体机器人。

无需耐压外壳、电驱动人工肌肉

研究团队即受到超深渊狮子鱼身体构造的启发。论文中写道:这条鱼的身体特征包括分散式骨骼和摆动的胸鳍,这些特征指导了我们深海软体机器鱼的动力、控制和DE(介电弹性体)执行器的机械设计。

他们开发了一款能进行深海勘探的仿生软体机器鱼,整体有22厘米长(身长11.5厘米、尾长10.5厘米),翼展宽28厘米,大约为一张A4纸的长宽。

该机器鱼由软体人工肌肉驱动一对翅膀状的柔性胸鳍,通过节律性扑翅实现游动。控制电路、电池等硬质器件则被融入集成在凝胶状的软体机身中;通过设计调节器件和软体的材料与结构,实现了机器人无需耐压外壳,就可以承受万米级别的深海静水压力。

在《自然》同步在线发表的观点文章中,新加坡国立大学的Cecilia Laschi写道,李铁风及其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不受高压的影响。

而研究团队正是从超深渊狮子鱼的骨骼中获得灵感。通过对深海狮子鱼的结构分析,研究团队发现深海狮子鱼的骨骼细碎状地分布在凝胶状柔软的身体中,有助于其在高压力环境下的生存与活动。因此,他们将电子器件分开排列,而不是像其他电子设备那样将它们集中在一起。

研究团队在论文中介绍了这一设计原理。如果在单个印制电路板(PCB)上密集封装所有电子器件,压力测试表明其接口容易发生故障。有限元分析(FEA)结果表明,压力导致的剪切应力集中在器件之间的接口。他们则采用分散设计,将器件分离到几个较小的印制电路板上,从而减轻剪切应力。有限元分析结果表明,在施加相同压力(110兆帕)下,分散式电子器件界面处的平均剪应力(大约10兆帕)低于集中式电子元件(大约60兆帕)。

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