前言

為深海探索帶來了更多可能性成果。

由北京航空航天大學機械工程及自動化學院研究團隊，聯合中科院深海所、浙江大學歷經 6 年共同研發，深海小型多模態機器人研究成果于 3 月 20 日發表在國際學術頂刊 《科學?機器人》（Science Robotics），為深海探索帶來了更多可能性成果，同時被 Science Robotics 官網首頁大圖介紹。

研究團隊從蝙蝠魚的運動模式中汲取靈感，設計出能夠游動、滑翔、爬行的多模態機器人，并利用手性雙穩態超材料結構實現 0.75s 內的游動-走動快速轉換，適應不同的海底地形和任務需求。

• · 在游動模式下，機器人通過尾鰭的擺動產生推力，最高速度可達 5.5cm/s；

• · 在滑翔模式下，展開的背鰭利用水的升力實現長距離滑行；

• · 在爬行模式下，機器人利用各向異性足部設計，能夠實現 3cm/s 的沙地行走。

在深海的高壓下，柔性驅動器材料的模量增加，類似肌肉的“僵化”，會導致驅動幅值與速度的衰減，削弱機器人的運行性能。為了克服這一挑戰，在多次嘗試之后，研究團隊設計出了全新的深海驅動裝置：

利用雙穩態手性超材料結構在兩個穩態之間切換時的快速突跳（snap-through），實現高效驅動。這種快速突跳的速度和幅度會隨著結構材料模量的增加而增加，巧妙地將深海高壓對軟材料的負面影響扭轉為正面影響，克服了以往柔性材料驅動器在深海環境下性能衰減的困難。

機器人于中國南海海馬冷泉（1384m）游動、滑行、變形和爬行

針對 2-4℃低溫這一深海環境帶來的另一難題，研究團隊巧妙利用在低溫環境下可實現高頻循環主動變形的形狀記憶合金進行拮抗驅動。利用形狀記憶合金的形狀記憶效應，通過周期性電流加熱使一對形狀記憶合金彈簧主動交替收縮，驅動手性超材料單元的雙穩態突跳切換，從而實現驅動器的快速循環擺動。

進一步，通過有限元仿真、實驗室環境測試及高壓罐實驗等方法，系統優化了驅動器關鍵結構參數，最終實現了靜水壓力對驅動性能的正向強化，顯著提升了驅動器的擺動速度與幅值。最后，通過硅油填充的硅膠管、柔性油囊等封裝技術，實現了形狀記憶合金驅動器、電路板和能源系統的壓力自補償封裝。

為了驗證機器人的性能，研究團隊在多個深海地點進行了實地測試。在幾年的測試時間中，機器人搭載“深海勇士號”和“奮斗者號”載人深潛器完成了包含海馬冷泉（1384m）、龍西海山（3756m）和馬里亞納海溝（10666m）在內的多地形、全海深的共計 14 次部署測試。

機器人于中國南海中南海山（3756m）測試

針對深海無法對軟體生物安全抓取的難題，研究團隊利用手性超材料單元的壓-扭耦合效應提出了一種穿戴式深海柔性抓持器設計方法。該抓手搭載于“奮斗者號”和“深海勇士號”載人深潛器上，成功完成了 3400 米深海環境下對軟體海洋生物（海星、海參、海膽）的無損抓取和采樣，移動噸級著陸器，開箱操作等一系列深海任務。

超材料柔性手抓取深海海星與海參（3469m）

潘飛、劉嘉琦、左宗灝、何夏為本論文的共同第一作者，機械工程及自動化學院文力教授與丁希侖教授為本論文的通訊作者。北航為本論文的第一單位及通訊單位。本研究得到了青年科學基金項目（A 類）和創新研究群體等項目的資助。

論文鏈接：

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

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文章來源：IT之家??????

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