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（图源：nature）
左卫东编译
深海，特别是深海海沟，是人类最晚开始探索的地区之一。为了承受深海的高压，常规的水下航行器需要用特殊金属材料制成耐高压的防水外壳。即使没有这样的防护装甲，自然界的一些生命早已适应了这种极端环境。在马里亚纳海沟深处，生活着众多微生物，甚至还有深海狮子鱼等海洋生物。
浙江大学李铁风教授领导的团队联合之江实验室与项目合作方，研发了一种无束缚、自供电的仿生软体机器鱼，这种机器鱼具有强大的控制能力和推进能力，能够进行深海探索。与某些深海机器人依赖笨重的防护装甲不同，该机器鱼的电子元件被分散式融入凝胶状的软体机身中，从而消除了对耐高压防水外壳的需求。在马里亚纳海沟（深度达10900米）和中国南海（深度达3224米）的实地测试表明，该机器鱼具有出色的耐压性和游泳能力。
这项研究成果于3月4日作为封面文章刊发在国际顶级期刊《自然》杂志上，题目为“马里亚纳海沟中的自驱动软体机器人”。
（图源：Nature.com）
深海测试机器鱼性能
研究团队首先在实验室的压力水腔中测试机器鱼的游泳能力，以模拟110MPa深海环境，然后在湖水的8m和70m深处进行多次测试。以上测试都取得了成功，为终极测试做好了准备：马里亚纳海沟和中国南海，在深海着陆器的协助下，让机器鱼下降到目标深度。
2019年12月，机器鱼随深海着陆器下潜到马里亚纳海沟约10900m的海底（北纬11.33°，东经142.19°）后，在2500毫安时单节锂电池的驱动下，不停地拍动它的鳍，时间长达45分钟。尽管水压巨大且鳍相对较软，但该机器鱼没有出现任何损坏或故障。机器鱼的前视图和侧视图由深海着陆器防压壳内的深海摄像机拍摄。
机器鱼在马里亚纳海沟10900m深处游动，前视图和侧视图（视频来源：浙江大学）
2020年，团队克服了新冠疫情和极端恶劣天气影响，进行了多次海试。在一次海试中，机器鱼被深海着陆器“HAIMA” 的机械臂送到中国南海的底部（深度3224m）。“HAIMA” 的摄像头拍摄了机器鱼游泳过程的正视图和侧视图。
机器鱼在中国南海3224m深处自由游动（视频来源：浙江大学）
深海狮子鱼带来的设计灵感
地球最深处的马里亚纳海沟，位于菲律宾东北、马里亚纳群岛附近的太平洋底。海沟深达6至11千米，海沟底部的水压高达1100个大气压，用一个不太恰当的比方，相当于一头大象站在人的指尖。这是一个高压、漆黑、食物匮乏和冰冷的世界，温度通常只有2℃（极少数海底受地热的影响，水温可高达380℃），是地球上最恶劣的区域之一。在这样恶劣环境中，生命仍然蓬勃发展。
软体机器鱼（左），深海狮子鱼（右）（图源：浙江大学）
2014年12月，科学家在马里亚纳海沟8145米深处的海床上发现了一种鱼类，这种鱼被命名为“深海狮子鱼”，浑身成白色，头大、眼睛小、没有鱼鳞，比人类的手掌稍长，这种鱼纤细到令人难以置信，有像翅膀的大型鱼鳍，以及像卡通狗的头部。
生活在地球表面的脊椎动物有封闭的头骨空间，周围环绕着坚硬的骨头，用以保护大脑并保持适当的颅内压。然而，封闭的头骨在极高压的深海环境下，无法保持其结构的完整性，需要一个开放的系统。为了保证内部和外部压力均衡，深海狮子鱼的颅骨并没有完全闭合，大部分骨骼由软骨组成，其骨骼非常薄且具有弯曲能力。
中科院深海研究所作为项目合作方，在马里亚纳海沟捕获了深海狮子鱼样本，经分析发现，深海狮子鱼的骨骼细碎状地分布在凝胶状柔软的身体中，这有助于其在高压环境下的生存与活动，这为深海机器人的设计提供了仿生启发。
如何做到高压下快速游动？
机器鱼由锂电池提供能量，和深海狮子鱼一样，机器鱼也有两个像翅膀一样的鳍，可以上下拍动。这些鳍由介电弹性体构成的“肌肉”提供动力，介电弹性体是一种软塑料，集成可伸缩的电极后，这些鳍可以随着电压的变化而伸缩，这样一来，鳍就能上下拍动，推动机器鱼在水中游动。
（图源：nature）
机器鱼形似深海狮子鱼，长22cm，翼展宽28cm，大约一张A4纸的长宽。它的机体由凝胶状的硅树脂制成，多孔且柔软，类似于深海生物的身体组织，能抵御深水压。研究人员解释，如果电子元件都集成在一个电路板上，在深水压下容易损坏。
集中式和分散式电子元件的压力测试（图源：nature）
因此，研究团队把电子元件封装在凝胶状的软体机身中，采用分散式设计，仅通过柔性电缆连接。设计调节元件及软体的结构与材料，实现了机器鱼无需耐压外壳就可以承受万米级别的深海水压。
（图源：浙江大学）
这项研究极大 推进深海机器人的研究进展，为海洋生物学的研究开辟出了一条新的道路。 可以预见， 未来，成群结队的水下软体机器人在海床上爬行，或在特定的区域游动。 它们为其他应用技术（包括海洋监测、清理和防止海洋污染或保护海洋生物多样性）的发展做出贡献， 更重要的是，可以帮助研究人员探索广阔而未知的海洋深处。
参考文献：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-03153-z#Sec25
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