在地球最深处马里亚纳海沟的万米深渊，压强相当于一个指甲盖上站了一头一吨重的犀牛，温度接近冰点。此前，能到达这里的深海机器人，多为重量达数吨的刚性体大型潜航器。而对身长1米以内的小型机器人来说，这里的极端环境曾是“禁区”，会使它们“肌肉僵化”、举步维艰。
2021年，北航机器人于马里亚纳海沟(10666m)释放如今，一台身长不到50厘米、体重仅1500克的“小精灵”翩然而至，在深海高静水压下行若无事。身形矫健、行动自如，它时而摆动尾鳍如游鱼穿梭，时而展开背鳍如海燕滑翔，甚至能将尾鳍变化成腿在海底“漫步”。这款深海小型多模态机器人由北京航空航天大学机械工程及自动化学院研究团队联合中科院深海所、浙江大学，历经6年共同研发。相关研究成果以“Miniature deep-sea morphable robot with multimodal locomotion”为题发表在国际学术顶刊《Science Robotics》上，同时被Science Robotics官网首页大图介绍。研究团队从蝙蝠鱼的运动模式中汲取灵感，设计出能够游动、滑翔、爬行的多模态机器人，并利用手性双稳态超材料结构实现0.75s内的游动-走动快速转换，适应不同的海底地形和任务需求。多模态运动能力使得机器人能够在复杂的深海环境中灵活应对，完成多样化的任务。在游动模式下，机器人通过尾鳍的摆动产生推力，最高速度可达 5.5cm/s；在滑翔模式下，展开的背鳍利用水的升力实现长距离滑行；在爬行模式下，机器人利用各向异性足部设计，能够实现 3cm/s 的沙地行走。在深海的高压下，柔性驱动器材料的模量增加，类似肌肉的“僵化”，会导致驱动幅值与速度的衰减，削弱机器人的运行性能。为了克服这一挑战，在多次尝试之后，研究团队设计出了全新的深海驱动装置：利用双稳态手性超材料结构在两个稳态之间切换时的快速突跳（snap-through），实现高效驱动。这种快速突跳的速度和幅度会随着结构材料模量的增加而增加，巧妙地将深海高压对软材料的负面影响扭转为正面影响，克服了以往柔性材料驱动器在深海环境下性能衰减的困难。研究团队创新地开发了一种厘米级的深海软体制动器。该致动器重量仅16克，结合了双稳态手性超材料和管密封形状记忆合金（SMA）。通过利用静水压力引起的模量增加，实现了双稳态手性单元更高的快速响应速度，从而提升了致动器的整体性能。机器人于中国南海海马冷泉(1384m)游动、滑行、变形和爬行针对 2-4℃低温这一深海环境带来的另一难题，研究团队巧妙利用在低温环境下可实现高频循环主动变形的形状记忆合金进行拮抗驱动。利用形状记忆合金的形状记忆效应，通过周期性电流加热使一对形状记忆合金弹簧主动交替收缩，驱动手性超材料单元的双稳态突跳切换，从而实现驱动器的快速循环摆动。进一步，通过有限元仿真、实验室环境测试及高压罐实验等方法，系统优化了驱动器关键结构参数，最终实现了静水压力对驱动性能的正向强化，显著提升了驱动器的摆动速度与幅值。最后，通过硅油填充的硅胶管、柔性油囊等封装技术，实现了形状记忆合金驱动器、电路板和能源系统的压力自补偿封装。为了验证机器人的性能，研究团队在多个深海地点进行了实地测试。在几年的测试时间中，机器人搭载“深海勇士号”和“奋斗者号”载人深潜器完成了包含海马冷泉（1384m）、龙西海山（3756m）和马里亚纳海沟（10666m）在内的多地形、全海深的共计 14 次部署测试。通过深海实际应用测试，研究团队全面验证了微型深海机器人在极端环境下的运动能力和任务执行能力。这些测试不仅展示了机器人在高压、低温环境中的稳定表现，还验证了其在复杂海底地形中的适应性和多功能性。针对深海无法对软体生物安全抓取的难题，研究团队利用手性超材料单元的压-扭耦合效应提出了一种穿戴式深海柔性抓持器设计方法。该抓手搭载于“奋斗者号”和“深海勇士号”载人深潜器上，成功完成了 3400 米深海环境下对软体海洋生物（海星、海参、海胆）的无损抓取和采样，移动吨级着陆器，开箱操作等一系列深海任务。在深海探索领域，机器人的设计不仅需要应对极端的高压和低温环境，还要具备高效的运动能力和多功能操作性能。整体来看，研究团队所研发的具有多模态运动能力的微型深海可变形机器人共由致动器（手性双稳态单元）、变形模块、多功能深海夹持器等多个部分构成。传统软体致动器（如介电弹性体致动器DEA、压电致动器和磁致动器）在深海中的高静水压力下会因杨氏模量增加而性能下降，研究团队为解决这一问题提出了一种基于双稳态弹性结构的快速响应致动器设计。该致动器的核心是一个无腔双稳态手性单元，具有左旋和右旋两种稳定状态，通过在这两种状态之间切换，手性单元能够实现扭转快速响应运动。具体来说，手性单元由交叉形状的软体结构前体预压缩而成，表现出±θstable的扭转角。通过扭转载荷，单元可以在两种稳定状态之间弹性切换。在准静态加载下，单元的反作用力矩呈现典型的N形轮廓，并在力矩从正变负的临界点触发快速响应。研究团队通过有限元分析（FEA）验证了该设计的有效性。在120 MPa（相当于12,000米深度的静水压力）下，软材料模量增加了15.1%，而致动器的最大快速响应速度提升了8.50%，扭转振幅增加了1.68%。此外，团队采用管密封方法将形状记忆合金（SMA）弹簧封装在硅胶软管中，确保其在深海高压环境中的正常工作。为了实现机器人在游泳和爬行模式之间的快速切换，研究团队设计了一个可变形模块。该模块利用手性单元的两个稳定状态（角度差为90°），通过压缩-弯曲耦合实现形态变化。尾鳍和同侧的两条腿共享一个超材料致动模块，而折叠模块则通过收缩SMA弹簧收回滑翔鳍。推进模块利用双稳态单元的快速切换特性，为机器人的游泳和爬行模式提供周期性划水运动。机器人由一块2600 mA·小时的锂电池供电，并通过板载微控制器单元电路进行控制。实验表明，机器人在实验室水族箱中能够实现最大60.8 mm/s的游泳速度和31 mm/s的爬行速度。基于手性超材料的压缩-扭转效应，研究团队开发了一种3D打印软体夹持器。该夹持器由两个对称的手性单元和一对抓取手指组成，能够通过Z形连接器穿戴在刚性夹持器上。手性单元的压缩-扭转耦合效应使夹持器在抓取过程中表现出稳定的性能，并在抓取后形成一个长的平稳区域，有效保护被抓取物体。为验证夹持器的抓取能力，团队对多种形状和尺寸的物体进行了拉脱力测试。结果显示，夹持器对球形物体的最大切向夹持力为28.3 N，对圆柱形物体为12.8 N，对六边形物体为51.8 N。此外，夹持器也被部署在“奋斗者”载人潜水器进行了实际应用测试，下潜至3469米的海底后，夹持器在深海环境中成功完成了收集海星、海胆和海黄瓜等生物样本采集、容器开关和着陆器重新定位的任务。为了全面评估微型深海机器人的性能，研究团队在实验室和深海环境中分别进行了多项测试。这些测试不仅验证了机器人在不同环境下的运动能力，还展示了其在极端条件下的稳定性和适应性。在实验室环境中，研究团队在一个尺寸为1.0米×4.0米×8.0米的水族箱中对机器人进行了详细测试。并在水族箱上方安装了摄像头，用于记录机器人的运动轨迹。在游泳模式下，形状记忆合金（SMA）弹簧致动手性单元，使机器人在两个稳定状态之间切换，从而在尾鳍中产生划水运动，推动机器人前进。测试结果显示，机器人能够实现最大60.8毫米/秒的游泳速度。通过控制机器人两侧的超材料致动模块，研究团队还成功实现了机器人的方向控制和复杂运动轨迹生成。在滑翔测试中，展开的胸鳍使机器人能够在水中滑翔较远距离。当胸鳍收回时，机器人滑翔了210毫米；当胸鳍展开且尾鳍未驱动时，滑翔距离增加到880毫米；而当胸鳍展开且尾鳍驱动时，滑翔距离进一步增加到1430毫米。这些结果表明，可折叠胸鳍显著增强了机器人的滑翔能力，不仅节省了能量，还提高了着陆位置的精确性。在状态切换测试中，机器人在着陆后0.75秒内便从游泳模式切换到爬行模式，这主要依赖于SMA弹簧来调整前部的手性单元。在爬行模式下，机器人利用游泳时的致动器拍打其各向异性脚，产生与尾鳍划水运动同步的向前摩擦力。测试显示，机器人能够实现最大31毫米/秒的爬行速度，并且通过增加驱动频率和脚部尺寸，可以进一步提高速度。在推进力测试中，研究团队测量了机器人在游泳和爬行时鳍和腿产生的推进力。在相同驱动参数下，手性单元产生的推进力（0.370±0.01 N）比传统轴承销机构（0.120±0.01 N）高出208%。此外，随着软材料模量随深度增加，推进力也相应增强。同时，研究团队也在光滑（丙烯酸板）和粗糙（100目砂纸）表面上测量了爬行力。结果表明，仅腿在粗糙表面上的向前摩擦力为1.06±0.02 N，腿和鳍共同作用下的力为1.38±0.25 N。拍打鳍在粗糙表面上将爬行推进力增强了30.1%。为了全面验证微型深海机器人在真实深海环境中的性能，研究团队也通过载人潜水器将机器人部署到三个不同深度的地点进行测试：海马冷泉（1384米）、龙溪海山（3756米）和马里亚纳海沟（10,666米）。在海马冷泉测试中，研究团队通过使用“深海勇士”号载人潜水器将机器人部署到1384米深度，就机器人多模态运动能力进行了验证。测试前，团队在母船上对机器人的重量进行了精确调整，确保其密度略大于预定潜水深度的海水密度，以保证机器人能够在深海环境中缓慢下沉并沿海底爬行。测试结果显示，机器人在20秒内游泳了671毫米，平均速度为33.7毫米/秒，与实验室环境中的表现（33.1毫米/秒）基本一致。此外，机器人还展示了滑翔能力，利用展开的胸鳍在流体升力的作用下滑翔了相当长的距离。在爬行测试中，机器人在25秒内爬行了654毫米，平均速度为21.5毫米/秒，这进一步验证了其在深海环境中的稳定性。在龙溪海山测试中，研究团队主要验证了机器人在复杂海底地形中的适应能力。机器人在3756米深度的测试中，展示了其在崎岖海底地形中的灵活移动能力。通过调整胸鳍和尾鳍的运动模式，机器人能够在复杂地形中自如切换游泳、滑翔和爬行模式。此外，机器人还执行了简单的任务操作，如海底样本采集和环境监测，进一步验证了其在深海环境中的多功能性和实用性。在马里亚纳海沟测试中，研究团队则就机器人极限性能进行了全面检验。在10,666米深度的极端高压环境下，机器人展示了其强悍的运动能力。在12秒内，机器人游泳和滑翔了400毫米，尽管在该深度下游泳速度略有下降，但机器人仍然能够完成预定的运动任务。在爬行测试中，机器人在0.45 Hz的驱动频率下，6秒内爬行了32毫米，展示了其在极端高压环境下的稳定表现。测试结束后，机器人被“奋斗者”号的机械臂成功回收，且回收后的机器人完好无损。通过在海马冷泉、龙溪海山和马里亚纳海沟的深海实际应用测试，研究团队全面验证了微型深海机器人在极端环境下的运动能力和任务执行能力。这些测试不仅展示了机器人在高压、低温环境中的稳定表现，还验证了其在复杂海底地形中的适应性和多功能性。目前，该团队正朝着“深海柔性机器人+AI”的研究方向努力，并将致力于聚焦提升深海小型机器人的续航能力和运动效率，实现更大范围的深海探测和监测，为海洋资源开发、考古发掘、环境监测等提供方案。正如团队成员、北航机械工程及自动化学院博士研究生左宗灏所说：“深海科研的魅力在于未知带来的挑战，每次下潜的机会都弥足珍贵，但永远相信只要敢迈步，海底也会有光。”北航参试学生左宗灏随“深海勇士号”载人深潜器下潜测试未来，研究团队将致力于聚焦提升深海小型机器人的续航能力和运动效率，实现更大范围的深海探测和监测。为海洋资源开发、考古发掘、环境监测等领域提供更多的方案。潘飞、刘嘉琦、左宗灏、何夏为本论文的共同第一作者，机械工程及自动化学院文力教授与丁希仑教授为本论文的通讯作者。北航为本论文的第一单位及通讯单位。本研究得到了青年科学基金项目（A类）和创新研究群体等项目的资助。日前，文力教授凭其在仿生机器人、软体机器人及海洋机器人等领域的学术贡献，荣膺Science Robotics期刊新一届编辑与咨询委员会（Editorial and Advisory Boards）委员（全球共25名科学家入选）。https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adp7821
