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浙大最新《Nature》封面:在10900米深海处成功实现!

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深海,仍然是地球上最大的未知领域,因为它是如此难以探索。由于深海压力极高,通常需要刚性船舶和压力补偿系统,来保护机电系统。然而,深海生物缺乏庞大或沉重的耐压系统,却可以在极深的地方茁壮成长,这种情况耐人寻味。

近日,来自中国浙江大学的李铁风等研究者,受到深海狮鱼结构的启发,开发了一种用于深海勘探的无绳软机器人,通过将电子设备集成到硅树脂基质中,来保护机载电源、控制和驱动,从而免受压力影响。相关论文以题为“Self-powered soft robot in the Mariana Trench”发表在Nature上。与此同时,该论文登上《Nature》同期的封面。更多精彩视频请抖音搜索:材料科学网。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03153-z

海洋占地球表面的70%以上,含有独特的生物、巨大的地质特征和丰富的矿产资源。人们经常探索较浅的海洋深度,但由于极端的静水压力,最深的区域基本上仍未被开发。

精心设计的机器人,在水下任务中,提供了出色的机动性和功能性。为了探索在3000米到11000米之间的深度,刚性机器人和机器(图1a),需要压力容器或压力补偿系统。然而,考虑到极端条件下结构破坏的风险,深海勘探,仍然具有挑战性。

图1 带板载动力和控制的耐压软机器人的深海现场试验。更多精彩视频请抖音搜索:材料科学网。

生活在中等海洋深度(~1000米)的软体生物,如章鱼和水母,已被广泛研究;它们在深海的适应性,启发了水下软机器人的设计(图1b)。优雅的软机器人设计,为深海探测提供了有前途的途径。它们的性能很大程度上,取决于它们的软驱动器,包括介电弹性体(DEs)、水凝胶和流体器件等。最近的研究表明,具有拍打、波动和喷射等推进模式的软机器人,表现出了优异的游泳性能。尽管如此,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,尽管它们的执行器很软,结构也很灵活。一种没有刚性容器的弹性软机器人,能够在极端深度的海洋中游泳,目前还没有开发出来。

在此背景下,值得注意的是,最近在8000米左右的海洋深处,发现了深海棘鱼,表现出令人惊讶的高适应性和流动性(图1c)。这条鱼的身体特征包括分散式头骨(即头骨部分打开)和拍打胸鳍,这些特征指导了,研究者的深海软机器人的动力、控制和DE执行器的机械设计(图1d)。

在此,研究者设计的软机器人,在马里亚纳海沟(11.33°N,142.19°E)10,900米深处的现场测试中,成功驱动。这个软机器人,安装在一个深海着陆器上(图1e),由机载锂离子电池(2500 mA h)和高压放大器自供电。这种自供电的机器人,不要求任何刚性容器。

为了减少电子元件之间界面的剪应力,研究者通过增加元件之间的距离或将它们与印刷电路板分开来分散电子元件。机器人拍动鳍所使用的介电弹性体材料经过精心设计,在马里亚纳海沟10900米深处的现场测试中成功地驱动了机器人,更可以在中国南海3224米深处自由游泳。通过系统实验和理论分析,验证了电子元件和软执行器的压力回弹特性。

图2 聚合物封装电子产品的压力回弹性。

图3 软机器人的设计与制造。更多精彩视频请抖音搜索:材料科学网。

图4 在一个压力测试室和一个深湖中进行游泳实验。更多精彩视频请抖音搜索:材料科学网。

综上,研究者在马里亚纳海沟、南海和一个深湖(图片1e-j,4g, h)的实地测试表明,该软机器人采用分散式电子器件和去驱动翼,具有良好的抗压能力和游泳性能。这个软体机器人,可以在110 MPa的静水压力下自由游泳。

集成额外的功能单元或重新安排电路,可以产生多种额外的功能,例如在深海中的传感和通信。具有传感、驱动、动力和控制系统的软设备可以完全集成,在机械恶劣条件下,监测和调节复杂任务。未来的工作,将集中在开发新的材料和结构,以提高软机器人和设备的智能、多功能性、机动性和效率。(文:水生)

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