中國科學院院士、固體力學專家楊衛：“以柔克剛”策略研制深海軟體機器魚

每經記者｜梁宏亮    每經實習記者｜溫雅蘭    每經編輯｜張凌霄    

動物具有長期學習形成的經驗，這些經驗為人類技術發明提供了源源不斷的創新靈感。而科學家的研究，在自然與技術之間架起了一座聯結彼此的橋梁。

中國科學院院士、固體力學專家楊衛在“科學與中國”走進大灣區暨第十一屆院士專家巡講系列活動中分享了其團隊如何從深海獅子魚獲得靈感，并造出能在深海作業的機器人的故事。

想要生存在被喻為“地球第四極”海洋深處的馬里亞納海溝，生物需要承受110兆帕的壓力，相當1100個大氣壓強。“我們知道，走到深海中往往需要很厚的防護殼。但是有一種獅子魚可以在八千多米的深海中自由游弋，它的身體非常柔軟。”談及獅子魚的獨特結構，楊衛說：“但是這種魚和普通的魚有幾點不同。第一，它沒有空腔，全身都肉嘟嘟的；第二，它所有的骨頭和刺都又細又長，非常柔軟；第三，它的頭骨不是整片狀的，而是很多細小的骨架通過柔軟的瓊脂包裹在一起。在深海的高壓下，深海獅子魚這樣的結構使得其柔軟的部分基本不會受到三維靜水壓的影響。”

“深海獅子魚可能出現問題的地方在于其身體軟和硬的部分的交界面，但是如果能夠將其剪應力控制在一定范圍內，深海獅子魚是可以存活的。所以，如果想要在深海中不需要防護就能存活，就需要物體中所有硬的部分都‘化整為零’，并且用柔性的材料將其連接。”楊衛講解道。

基于獅子魚頭部骨骼在軟組織中的分散融合這一特點，楊衛的團隊采用了“以柔克剛”的策略研制出仿生軟體機器魚。這款軟體仿生機器魚長22厘米，翼展寬度28厘米，大約為一張A4紙的長寬，其各個信息獲取裝置，比如攝像機、能夠在壓力下存活的能源裝置等則分布在全身，并整體封裝在一種柔性有機硅材料中，無需耐壓外殼就能夠承受萬米級別的深海靜水壓力。

針對仿生機器魚的未來應用，楊衛介紹：“這個項目在將來還可以進一步推廣，比如應用于深海的無人傳播結構中。”

除深海機器魚外，楊衛還介紹了他們團隊近期正在研究的足式機器人。“雖然人類造機器人所使用的材料和部件，包括電機、電池等各類動力來源，要比動物肌肉的能量密度更高，但是這類機器人奔跑的速度遠遠不及動物本身，甚至只有動物的一半”，楊衛解釋道，“為什么會有這樣的現象？關鍵在于兩個方面。第一點在控制方面，動物具有長期學習所形成的經驗，但是我們做的足式機器人每一步都要重新學習。所以我們必須采用人工智能的辦法，對以往的經驗進行深度學習，這樣在遇到具體情況時才能‘條件反射’式地做出步態調整。”

“第二點在于利用耦合力學方面的知識，比如惠更斯耦合擺，無論我們給出什么樣的初始條件，它都可以協調成統一的步態。在本征動力學的驅動下，我們正在設計新一代的足式機器人，他將會能夠以10m/s的速度進行奔跑。”楊衛談到。

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