深海，作為地球上探索最少的地區之一，其表面看似平靜，實則隱藏著巨大的危機。其中，深海壓強是深海探索面臨的主要挑戰之一。深海的水壓極大，每下降10米，水壓就會增加大約1個大氣壓。以馬里亞納海溝為例，其一大深度超過11000米，最深處的水壓超過110兆帕，相當于每平方厘米面積承受1,2噸壓力。

因此，傳統用于深海探索的機器人往往體積龐大、笨重，重量常常達到數噸甚至更多，以確保在巨大水壓下仍能正常工作。但這樣的設計不僅限制了機器人的靈活性和探索范圍，也會因為近距離作業時產生的明顯湍流對深海生態系統造成破壞。

悟空號全海深無人潛水器完成馬里亞納海溝“挑戰者”深淵萬米挑戰

然而，就在前不久，一個重量僅2.7公斤的微型深海機器人卻成功地在海馬冷泉1385米深處和馬里亞納海溝10600米深處自由游弋，并進行了游泳、滑翔、變形和沿海床爬行等多種不受束縛的運動。其在千米深海的表現甚至可以與在實驗室水族館條件下（大氣壓）的表現相當，性能之強悍仿佛視深海壓強為無物。

那么，該機器人究竟出自何方？又如何用2.7公斤的靈巧身軀扛住噸級壓強，甚至將極端環境轉化為動力之源？

▍6年磨一劍，開發微型深海可變形機器人

據機器人大講堂了解，該機器人由北京航空航天大學文力教授團隊主導，聯合中國科學院深海科學與工程研究所、浙江大學李鐵風團隊，歷時六年研發而成，集成了北航的技術，中科院深海所的深淵探測工程經驗和浙江大學李鐵風團隊2021年研制全球首臺萬米驅動軟體機器人的仿生軟體機器人基礎研究。

研發過程中，三大機構共同攻克了深海機電系統耦合的難題，并通過整合游泳和底棲運動特征，成功開發了用于深海探索的無系繩、可變形微型深海機器人。該機器人設計巧妙，擁有可折疊的胸鰭用于滑翔，兩個對稱的尾鰭用于游泳，以及一組用于爬行的腿。機器人可以根據任務需求，在這些運動模式中靈活切換，具備極高的靈活性和適應性。

同時，面對開發深海多模態微型機器人系統的主要挑戰，即致動器的小型化和在深海環境中通過緊湊的致動系統實現所需的變形和優越性能，研究團隊創新地開發了一種厘米級的深海軟體制動器。該致動器重量僅16克，結合了雙穩態手性超材料和管密封形狀記憶合金（SMA）。通過利用靜水壓力引起的模量增加，實現了雙穩態手性單元更高的快速響應速度，從而提升了致動器的整體性能。

此外，研究團隊還基于相同的超材料設計策略開發了一種可穿戴軟體夾持器，以便于深海安全操作，包括軟體樣本收集和重物操作（約3400米深）。這種夾持器被設計為可以輕松“穿戴”在潛水器的現有剛性夾持器上，進一步提升了深海探索的效率和安全性。

深海多模態軟機器人的任務概況，展示了其在深海環境中游泳、滑行、爬行和抓握的能力。

為了驗證該機器人的性能和實際應用效果，研究團隊通過載人潛水器將機器人部署到中國南海海馬冷泉1384米深度、龍溪梅山3756米深度和馬里亞納海溝10666米深度這三大深海領域進行實驗測試。測試結果顯示，機器人表現優異，其有效性和實用性得到充分驗證。

3月19日，這一研究成果的相關論文以“Miniature deep-sea morphable robot with multimodal locomotion”為題發表在國際學術頂刊《Science Robotics》上，并被該雜志官網首頁大圖介紹。這一研究成果不僅為下一代微型深海致動器和機器人的設計提供了重要參考，也為未來深海生態系統的探索與交互奠定了堅實的基礎。

▍為深海而生，機器人設計解析與創新突破

在深海探索領域，機器人的設計不僅需要應對極端的高壓和低溫環境，還要具備高效的運動能力和多功能操作性能。整體來看，研究團隊所研發的具有多模態運動能力的微型深海可變形機器人共由致動器（手性雙穩態單元）、變形模塊、多功能深海夾持器等多個部分構成。

• 致動器：微型機器人的核心驅動

傳統軟體致動器（如介電彈性體致動器DEA、壓電致動器和磁致動器）在深海中的高靜水壓力下會因楊氏模量增加而性能下降，研究團隊為解決這一問題提出了一種基于雙穩態彈性結構的快速響應致動器設計。

該致動器的核心是一個無腔雙穩態手性單元，具有左旋和右旋兩種穩定狀態，通過在這兩種狀態之間切換，手性單元能夠實現扭轉快速響應運動。具體來說，手性單元由交叉形狀的軟體結構前體預壓縮而成，表現出±θstable的扭轉角。通過扭轉載荷，單元可以在兩種穩定狀態之間彈性切換。在準靜態加載下，單元的反作用力矩呈現典型的N形輪廓，并在力矩從正變負的臨界點觸發快速響應。

深海手性驅動模塊

研究團隊通過有限元分析（FEA）驗證了該設計的有效性。在120 MPa（相當于12,000米深度的靜水壓力）下，軟材料模量增加了15.1%，而致動器的最大快速響應速度提升了8.50%，扭轉振幅增加了1.68%。此外，團隊采用管密封方法將形狀記憶合金（SMA）彈簧封裝在硅膠軟管中，確保其在深海高壓環境中的正常工作。

壓力水箱中不同壓力下的手性驅動模塊性能

• 變形模塊：多模態運動性能的實現

為了實現機器人在游泳和爬行模式之間的快速切換，研究團隊設計了一個可變形模塊。該模塊利用手性單元的兩個穩定狀態（角度差為90°），通過壓縮-彎曲耦合實現形態變化。尾鰭和同側的兩條腿共享一個超材料致動模塊，而折疊模塊則通過收縮SMA彈簧收回滑翔鰭。

推進模塊利用雙穩態單元的快速切換特性，為機器人的游泳和爬行模式提供周期性劃水運動。機器人由一塊2600 mA·小時的鋰電池供電，并通過板載微控制器單元電路進行控制。實驗表明，機器人在實驗室水族箱中能夠實現最大60.8 mm/s的游泳速度和31 mm/s的爬行速度。

機器人在大氣條件下在實驗室水箱中的多模態運動

• 多功能深海夾持器：靈活操作與樣本采集

基于手性超材料的壓縮-扭轉效應，研究團隊開發了一種3D打印軟體夾持器。該夾持器由兩個對稱的手性單元和一對抓取手指組成，能夠通過Z形連接器穿戴在剛性夾持器上。手性單元的壓縮-扭轉耦合效應使夾持器在抓取過程中表現出穩定的性能，并在抓取后形成一個長的平穩區域，有效保護被抓取物體。

用于精細操作的深海軟夾鉗

為驗證夾持器的抓取能力，團隊對多種形狀和尺寸的物體進行了拉脫力測試。結果顯示，夾持器對球形物體的最大切向夾持力為28.3 N，對圓柱形物體為12.8 N，對六邊形物體為51.8 N。此外，夾持器也被部署在“奮斗者”載人潛水器進行了實際應用測試，下潛至3469米的海底后，夾持器在深海環境中成功完成了收集海星、海膽和海黃瓜等生物樣本采集、容器開關和著陸器重新定位的任務。

▍全面性能評估，測試機器人極端適應性

為了全面評估微型深海機器人的性能，研究團隊在實驗室和深海環境中分別進行了多項測試。這些測試不僅驗證了機器人在不同環境下的運動能力，還展示了其在極端條件下的穩定性和適應性。

• 實驗室性能測試

在實驗室環境中，研究團隊在一個尺寸為1.0米×4.0米×8.0米的水族箱中對機器人進行了詳細測試。并在水族箱上方安裝了攝像頭，用于記錄機器人的運動軌跡。

在游泳模式下，形狀記憶合金（SMA）彈簧致動手性單元，使機器人在兩個穩定狀態之間切換，從而在尾鰭中產生劃水運動，推動機器人前進。測試結果顯示，機器人能夠實現最大60.8毫米/秒的游泳速度。通過控制機器人兩側的超材料致動模塊，研究團隊還成功實現了機器人的方向控制和復雜運動軌跡生成。

機器人實驗室水族箱的多模態運動

在滑翔測試中，展開的胸鰭使機器人能夠在水中滑翔較遠距離。當胸鰭收回時，機器人滑翔了210毫米；當胸鰭展開且尾鰭未驅動時，滑翔距離增加到880毫米；而當胸鰭展開且尾鰭驅動時，滑翔距離進一步增加到1430毫米。這些結果表明，可折疊胸鰭顯著增強了機器人的滑翔能力，不僅節省了能量，還提高了著陸位置的精確性。

在狀態切換測試中，機器人在著陸后0.75秒內便從游泳模式切換到爬行模式，這主要依賴于SMA彈簧來調整前部的手性單元。在爬行模式下，機器人利用游泳時的致動器拍打其各向異性腳，產生與尾鰭劃水運動同步的向前摩擦力。測試顯示，機器人能夠實現最大31毫米/秒的爬行速度，并且通過增加驅動頻率和腳部尺寸，可以進一步提高速度。

在推進力測試中，研究團隊測量了機器人在游泳和爬行時鰭和腿產生的推進力。在相同驅動參數下，手性單元產生的推進力（0.370±0.01 N）比傳統軸承銷機構（0.120±0.01 N）高出208%。此外，隨著軟材料模量隨深度增加，推進力也相應增強。同時，研究團隊也在光滑（丙烯酸板）和粗糙（100目砂紙）表面上測量了爬行力。結果表明，僅腿在粗糙表面上的向前摩擦力為1.06±0.02 N，腿和鰭共同作用下的力為1.38±0.25 N。拍打鰭在粗糙表面上將爬行推進力增強了30.1%。

• 深海實際應用測試

為了全面驗證微型深海機器人在真實深海環境中的性能，研究團隊也通過載人潛水器將機器人部署到三個不同深度的地點進行測試：海馬冷泉（1384米）、龍溪海山（3756米）和馬里亞納海溝（10,666米）。

在海馬冷泉測試中，研究團隊通過使用“深海勇士”號載人潛水器將機器人部署到1384米深度，就機器人多模態運動能力進行了驗證。測試前，團隊在母船上對機器人的重量進行了精確調整，確保其密度略大于預定潛水深度的海水密度，以保證機器人能夠在深海環境中緩慢下沉并沿海底爬行。

深海機器人的多模態運動

測試結果顯示，機器人在20秒內游泳了671毫米，平均速度為33.7毫米/秒，與實驗室環境中的表現（33.1毫米/秒）基本一致。此外，機器人還展示了滑翔能力，利用展開的胸鰭在流體升力的作用下滑翔了相當長的距離。在爬行測試中，機器人在25秒內爬行了654毫米，平均速度為21.5毫米/秒，這進一步驗證了其在深海環境中的穩定性。

在龍溪海山測試中，研究團隊主要驗證了機器人在復雜海底地形中的適應能力。機器人在3756米深度的測試中，展示了其在崎嶇海底地形中的靈活移動能力。通過調整胸鰭和尾鰭的運動模式，機器人能夠在復雜地形中自如切換游泳、滑翔和爬行模式。此外，機器人還執行了簡單的任務操作，如海底樣本采集和環境監測，進一步驗證了其在深海環境中的多功能性和實用性。

在馬里亞納海溝測試中，研究團隊則就機器人極限性能進行了全面檢驗。在10,666米深度的極端高壓環境下，機器人展示了其強悍的運動能力。在12秒內，機器人游泳和滑翔了400毫米，盡管在該深度下游泳速度略有下降，但機器人仍然能夠完成預定的運動任務。在爬行測試中，機器人在0.45 Hz的驅動頻率下，6秒內爬行了32毫米，展示了其在極端高壓環境下的穩定表現。測試結束后，機器人被“奮斗者”號的機械臂成功回收，且回收后的機器人完好無損。

通過在海馬冷泉、龍溪海山和馬里亞納海溝的深海實際應用測試，研究團隊全面驗證了微型深海機器人在極端環境下的運動能力和任務執行能力。這些測試不僅展示了機器人在高壓、低溫環境中的穩定表現，還驗證了其在復雜海底地形中的適應性和多功能性。

參考文章：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adp7821