在4070米深的幽暗海山區，一條長約32厘米、翼展寬約18厘米、重量僅670克的“軟體魚”正在靈活巡弋。這條特殊的“魚”，是哈爾濱工程大學船舶工程學院教授李國瑞課題組的最新研究成果——電液驅動深海軟體機器人。近日，這項研究成果以“塑化電液軟體機器人深海自主翱翔”為題發表于國際學術期刊《科學·機器人》上，并同時登上《科學》官網首頁的專題報道頁面。

將電場力轉化為驅動力

深海作為地球上最大的未知疆域，是人類探索生命起源、進行資源勘探和研究氣候演化等關鍵問題的前沿陣地。但探索這片幽暗深淵絕非易事，其高壓、低溫等極端環境時刻挑戰著人類科技的極限。同時，如何平衡高昂的探索成本、裝備的可靠性與深海脆弱生態的保護，也是橫亙在科研人員面前的難題。

2022年，李國瑞課題組從麥克斯韋“電致流動”這一經典物理現象中獲得靈感，開啟了電液驅動深海軟體機器人的研究。團隊利用靜電場控制介電液體有序流動，成功把電場力轉化成了柔性電液單元的驅動力。

課題組設計的柔性電液單元由薄膜外殼、柔性電極和內部的介電液體組成。在電場力作用下，介電液體定向流動，能精確驅動柔性電液單元產生可控的形變。團隊系統研究了這種柔性電液單元在高壓、低溫條件下的力電耦合變形效果，讓機器人具備了良好的大變形能力。

不過，深海的高壓和低溫會讓軟材料變硬，這將嚴重影響柔性電液單元的變形力和機器人的機動性。針對這個瓶頸，團隊發現了柔性電液單元介質的液—固塑化機制，提出了“電液、塑化介質一體化”解決方案。這個方法既能保證柔性電液單元產生大變形，又能維持其彈性，突破了深海高壓和低溫對于軟材料的雙重限制，顯著提升了機器人在極端環境下的機動能力。

可適應深海復雜環境

這款電液驅動深海軟體機器人的機身集成了控制電路、傳感器、電池等元件。課題組對機器人的軟體驅動器、光學傳感器、電子元件和軟基體等進行了力學優化，使得機器人在深海高壓環境下，體內的應力狀態更穩定。更巧妙的是，柔性電液單元內部的介電液體能與深海海水壓力自動平衡，使機器人可以適應全海深的壓力環境，不用額外的耐壓外殼就能承受全海深的靜水壓力。

機器人通過自帶的小型化能源控制系統驅動柔性電液單元協同工作。當軟基體中的電子器件產生高壓電信號時，柔性電液單元會在電壓信號的作用下，產生類似“流體靜力骨骼”的變形模式，讓機器人在深海中實現直行、轉彎等多種運動軌跡。

此外，這款軟體機器人還集成了微型深海光學感知系統，能在深海極端環境下實時感知自身運動狀態和周圍環境。

為了進一步證實該機器人在深海實地探測作業中的可靠性，在廣東智能無人系統研究院、廣州海洋地質調查局、浙江大學、中國船舶科學研究中心等單位的聯合支持下，課題組研發的深海軟體機器人先后在南海的海馬冷泉區、海山區等海域開展了多次海試驗證。

2024年6月13日深夜，團隊研制的深海軟體機器人在南海3176米深度完成布放。海試影像顯示，機器人在深海復雜水流環境下完成了復雜軌跡運動、近底感知探測、自主姿態調控、返航等一系列任務，證實了它在深海極端壓力和復雜流動環境下的可靠機動性和感知能力。

同年7月4日至6日，這款深海軟體機器人在海馬冷泉區完成了多次布放，成功實現了約1369米深海環境下的低擾動探測任務。隨后，機器人搭載“海星”號6000米級深海ROV，在約4070米深度的海山區開展了航行試驗，探索了深海潛水器和小型深海軟體機器人協同作業，實現大范圍、低擾動深海探測的可行性。

此外，為了驗證這款軟體機器人與水下環境的生態融合性，課題組還利用它開展了海洋生態環境和群落的原位、近距離行為觀測。“經過多次海試的嚴苛考驗，這款軟體機器人展現出良好的機動性、可靠的極端環境適應性和低擾動探測能力，有望為深海生態觀測貢獻力量。”課題組核心成員沈鵬說。

目前，團隊正開展小型化深海軟體機器人的驅動、感知、通訊一體化集成及群體智能等方向的探索。

李國瑞表示，未來，團隊將持續突破極端環境下柔性裝備的材料耐久性、系統可靠性、智能化水平等關鍵挑戰，為深海柔性裝備探測作業拓展更廣闊的應用空間。比如，可以利用群體化的深海軟體機器人低擾動地融入深海生物群落或礦區進行原位探測；也能利用深海軟體機器手實現脆弱樣本的無損采集、精細操縱與安全交互等。