会员登录
  • 没有账号? 去注册
会员注册
  • 已有账号? 去登录

新闻动态

【活动新闻】化身“渔夫”的力学专家
发布时间:2024-04-11    328   
《墨经》有云,力,形之所以奋也。这句话旨在强调科技创新对经济发展的推动作用。那么,对于力学专家来说,力,又能演变出怎样的功能和形态呢?



浙江大学航空航天学院教授李铁风对此有着深刻的认识,在他看来,力,可以意味着坚硬,更可以意味着柔软。在软体机器人领域,他深耕多年,不断迎接着新的挑战。4月10日,带着软体机器人的故事,李铁风来到中国科大附中,在这些故事里,李铁风戏称自己是“航空航天专业的养鱼人。”


图片


 

当力学专家化身“渔夫”




提起机器人,通常会让人联想到电动机、马达、传动齿轮等机械结构,而李教授的机器人却格外的“软”。而这样的核心思想,灵感就是来源于深海里的鱼。


在人类试图征服星辰大海的旅程上,需要克服极端环境的巨大考验。深空和深海环境下, 极端的压力条件,往往令最坚硬的外壳都土崩瓦解。那么,会不会软的物质反而更适应这类极端条件呢?


图片



李铁风介绍到,想要设计出能适应极端环境的软体机器人,他首先选择去向深海鱼类寻求灵感。在地球生命还没有登上陆地的时候,海里的生物正是凭借柔软的躯体,在深海中恣意游动。甚至,含水量高达95%的水母,最高时速居然可以达到接近20公里。

正是在这样的灵感驱动下,航空航天专业出身的李铁风决心化身“渔夫”,致力于研制仿生机器鱼。而他要做的,就是将深海鱼类的构造和功能抽象出来,应用在机器鱼上。

2015年左右,李铁风基于水的弱导电性,尝试用水作电极,经过反复研究与实验,他的第一条全软体的、小于一寸长的机器鱼诞生了。为了测试它能否经得起大风大浪,李铁风克服重重困难,将其带至世界上最深的海沟——马里亚纳海沟,在万米深海,小鱼首次下海就成功地经受住深海的压力和几小时长的测试,实验成功了。


登上Nature封面的仿生狮子鱼


李铁风教授总是说“科研背后,是国之大者”。之所以有这样的感慨,是因为有了国家对科研的重视和科技水平全方位的进步,各个学科和工程领域才得以协作,2017年,中国科考团队于马里亚纳海沟约8000m 区域捕获的深渊狮子鱼,就是这样的例子。

至今,李铁风仍清晰记得自己将这条小鱼拿在手里的感觉——像果冻一样,不久就开始融化。难以想象,这么柔软的小鱼是如何对抗深海的巨大压力的。


图片



经过分析研究,这种深渊狮子鱼的颅腔是半开放的,它针刺状的不完整的头骨,结合果冻状的身体,居然可以耐受超强的静水压力。惊叹于这一点,李铁风“脑洞大开”,仿照狮子鱼的生理特征,开始了各种分析和调控,最终,软体材料展现出了令人意想不到的特性与能力——软体的“柔”可以在万米深海的巨大压力下被用来保护电池、电路板、控制系统,人类首次无需耐压外壳的机器人马里亚纳海沟10900米深海驱动成功,该工作登上Nature封面, Nature 邀请Cecilia Laschi 等学者对论文评论指出:“拓展软机器人边界,开创深海机器人新领域,为新一代强适应高可靠机器系统奠定基础”。

这张登上Nature封面的机器鱼的故事,常常令李铁风由衷感慨:“一条小鱼启发了我的科研创新,而这背后是因为有强大的祖国。”

软体机器人的星辰大海


通过与海洋、信息、机械学科交叉,李铁风设计开发软体机器人深海实验测试平台,他将软体机器人系统平台与机器群组命名为Deep X,之所以如此命名,灵感来源于马斯克的Space X,“马斯克的商业的火箭,可以大幅降低成本,而我们的元器件,在深海如果不需要钛合金外壳,也能够耐住超高的压力,很多普通元器件就可以用,成本也将大幅降低。”李铁风介绍说。


图片



在李铁风看来,软体机器人可以应对的极端环境远远不止深海,它要做的事也不仅仅是深海探测。在李铁风的规划里,软体机器人可以在很多人类未知的领域帮助我们拓展边界。

未来,如果你是海洋的研究者和保护者,利用软体机器人可以搭载超声成像设备、体温探测设备等,以监测海洋生物的生理指标,帮助我们进一步了解深海; 我们还可以仿照自然界中的深海鱼群,开发我们人类的“仿生深海机器群”,实现协同交互、智能涌现。

除了地球上的环境,宇宙中的环境将是更大的挑战。未来,对深空的探测也将是软体机器人大显身手的战场。面对深邃未知的宇宙,人类保有共同的好奇,中国和美国科学家都公布了对太阳系其它行星的探测计划。而对于木星及其卫星组成的木星系来说,构成星体的主要成分可能呈气态或液态,其内部压力很可能远高于马里亚纳海沟,“皮薄馅大”的硬壳探测器难逃“内爆”的命运。如何深入其内部进行探测并传回信号?可能还是要借助于软体机器人的帮助,人类才能获得这些星体内部的数据。

此外,李铁风认为,所谓“极端环境”,不仅仅包括深空和深海,人体内部其实也是一个条件要求特别严苛的环境,市面上的一些辅助运动工具的人机交互并不友好,而“穿戴于”人体组织内部的设备,则更是对柔软性提出了极高的要求。以电子智能“膀胱”辅助装备为例,李铁风为现场观众勾勒出了软体设备未来在医学应用上的前景。


图片



作为软体机器人的先驱者,李铁风对于自己的科研有这样的描述:在期待基础物理学突破的同时,将已知的物质之理找到一个合适的方式组织好,常常会带来不一样的思路,能够帮助人类去挑战深空和深海里的那些所谓的“不可能任务”。

“有趣的是,生命其实还有很多未知的秘密,在生命的启发下,我们铸造了机器之力,研发了软体机器人和探测器,同时,我们又进一步利用这些新型的探测器,去人类未知的世界完成那些“不可能任务”,进而更好的去发现那里的物质之理、去发现和解答生命之谜。这是吸引我不断的探索和求知下去的动力。”他说。